不耦合装药下炮孔—空孔距离对预裂爆破效果的影响探究

章彬彬,程金明,占汪妹,赵东波,廖述能,郑中华

(核工业井巷建设集团有限公司,浙江 湖州 313000)

预裂爆破是一种进行石方开挖时,在主爆区爆破之前沿着设计轮廓线先爆出一条贯穿裂缝的爆破方法。其产生的振动波能够有效控制其对保留岩体的损伤,使之获得较平整的开挖轮廓。预裂爆破不仅在垂直、倾斜开挖壁面上得到广泛应用,而且在规则的平面以及水平建基面等也成功运用,同时也适用于稳定性差而又要求控制开挖轮廓的软弱岩层[1-2]。

随着爆破技术的发展,多数专家、学者重点围绕着“空孔效应”[3-4](炸药在介质中爆炸时,爆炸应力波在介质中传播遇到空孔时在其周围产生应力集中现象)和数值模拟等研究方向。由此出现了“一种新型轮廓控制技术”方法[5],该方法采用了试验与模拟结合并推导边坡预裂爆破参数[6],研究了在空孔的迎爆侧与背爆侧应力波反射与叠加情况[7],用ANSYS/LS-DYNA研究预裂爆破理想不耦合系数[8],及裂缝扩展速度、爆生气体扩散速度与不耦合系数的关系等[9]。在不耦合装药(D/d=2)条件下,设置不同炮孔—空孔的间距,基于混凝土模型爆破试验、ALE和Lagraner算法,构建了预裂爆破数值模型并采用LS-DYNA软件对模型进行解算,研究表明合理增加空孔有利于良好爆破轮廓面的形成,还能减少对主爆区或保护区破坏作用,可为类似开挖轮廓面工程提供参考和借鉴。

1 试验准备

材料模型为长700 mm,宽400 mm,高250 mm的长方体混凝土模型,其中水泥∶细砂∶水=1∶2.8∶0.7。其力学参数如表1所示。

表1 模型力学参数

炮孔直径D=12 mm,装药直径d=6 mm(D/d=2),空孔直径为12 mm,炮孔深度120 mm,单发雷管起爆,炮泥填塞。

2 工况试验设计与结果

2.1 试验设计

根据文献[6-9]研究,爆破裂隙区有空孔时,可以有效控制裂纹的扩展方向。在上述理论与实践基础上,本文拟设置3组(Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组)工况试验,各试验组工况设置如表2所示,不耦合装药如图1所示。

图1 不耦合装药实验模型Fig.1 Experimental model of uncoupled charge

表2 不同炮孔-空孔距离的工况试验组

2.2 试验结果

由l=80 mm时爆破裂纹扩展(见图2)可看出,无空孔爆破时爆破轮廓面不规整,两装药炮孔之间的爆破应力波在两炮孔自由面处反射叠加,使在炮孔轴线以外形成1、2、4、5、6共5条裂纹,对主爆区或保护区破坏严重(见图2a)。有空孔爆破时爆破轮廓面不规整,两装药炮孔之间的爆破应力波在空孔及两炮孔自由面处反射叠加,在两炮与空孔轴线方向未形成贯通裂纹,在两炮与空孔轴线外形成1、2、3、4、5、6、7共7条裂纹,对主爆区或保护区破坏也较为严重(见图2b)。

图2 l=80 mm时爆破裂纹扩展Fig.2 Blasting crack propagation when l =80 mm

由l=100 mm时爆破裂纹扩展(见图3)可看出,无空孔爆破时爆破轮廓面不规整,两装药炮孔之间的爆破应力波在两炮孔自由面处反射叠加,使在炮孔轴线以外形成1、2、3、4、7共5条裂纹,对主爆区或保护区破坏较为严重(见图3a)。有空孔爆破时爆破轮廓面近似平面,两装药炮孔之间的爆破应力波在空孔及两炮孔自由面处反射叠加,在两炮与空孔轴线方向形成一条贯通裂纹,在两炮与空孔轴线外形成2、7共2条裂纹,对主爆区或保护区破坏较小(见图3b)。相比于l=80 mm工况,对主爆区或保护区破坏较小,且爆破轮廓面规整。相比于无空孔情况,空孔的存在有利于良好爆破轮廓面的形成,还能减少对主爆区或保护区破坏作用。

图3 l=100 mm时的爆破裂纹扩展Fig.3 Blasting crack propagation when l =100 mm

由l=120 mm 时爆破裂纹扩展(见图4)可看出,无空孔爆破时爆破轮廓面为曲面,两装药炮孔之间的爆破应力波在两炮孔自由面处反射叠加,使在炮孔轴线以外形成1、2、4共3条裂纹,对主爆区或保护区破坏严重(见图4a)。有空孔爆破时爆破轮廓面为狭小波涛状裂纹,两装药炮孔之间的爆破应力波在两炮孔自由面处反射叠加,使在炮孔轴线以外形成3、6、7共3条狭小裂纹,未能形成一条贯通轮廓面(见图4b),相比于l=100 mm工况,本组未达到预裂爆破效果。

图4 l=120 mm时的爆破裂纹扩展Fig.4 Blasting crack propagation when l =120 mm

根据3组(Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组)工况试验情况,合适的炮孔-空孔间距,通过给装药孔爆炸应力波增加反射自由面的途径,达到在炮孔轴线方向形成一条贯通轮廓面且对主爆区或保护区受爆破破坏的程度较小的目的。

3 数值模拟与参数比对

3.1 数值模拟模型

为研究岩石介质在爆炸过程中的破坏与断裂,选用ALE算法、Lagraner算法[10-11],单位采用g-cm-μs进行建模,三维模型尺寸为70 cm×40 cm×25 cm,炮孔直径为12 mm,计算时间为200 μs,岩石、空气、炸药单元类型为SOLD164单元。

1)岩石材料选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本构模型,岩石参数如表3所示。

表3 岩石参数

2)空气材料选用*MAT_NULL本构模型,同时其相应的状态方程选用*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL,空气材料状态方程为

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E2

(1)

式中:P为爆轰压力;E为单位体积内能;μ为当前流体密度与初始流体密度的比值。假设空气为理想气体时,空气参数如表4所示。

表4 空气参数

3)炸药材料选用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN本构模型。

(2)

式中:P为爆轰产物内部压力,V为爆轰产物体积,E0为初始比内能。炸药参数如表5所示。

表5 炸药参数

3.2 裂纹扩展分析

通过数值模拟得到模型的裂纹扩展和空孔周边的应力分布结果。有空孔条件下,间距l为80、100、120 mm时不耦合爆破的裂纹扩展图[12-13],如图5～图7所示。在不耦合装药系数为2时,不同间距下爆炸应力波分别在22、28、34 μs时到达空孔处。

图5 l=80 mm时有空孔裂纹扩展(D/d=2)Fig.5 Crack propagation of empty hole at l =80 mm (D/d =2)

图6 l=100 mm时有空孔裂纹扩展(D/d=2)Fig.6 Crack propagation of empty hole at l =100 mm (D/d =2)

图7 l=120 mm时有空孔裂纹扩展(D/d =2)Fig.7 Crack propagation of empty hole at l =120 mm (D/d =2)

间距为80 mm时,炮孔周围形成明显的裂纹并向两边空孔进行扩展,与空孔相连。中间空孔在2个应力波的作用下破坏明显;间距为100 mm时,随着应力波的传播,裂纹先在炮孔周围进行扩展,然后向空孔进行延伸直至与空孔相连,同时中间空孔受到左右2个爆炸应力波的作用破坏较为明显;间距为120 mm时,随着应力波的传播,先在炮孔周围形成裂纹,然后向空孔处延伸,由于间距较大,裂纹无法与空孔相连,但中间空孔在双重应力作用下有裂纹扩展。

因此,空孔对裂纹的扩展具有一定的引导作用,随着l的增大,爆炸应力波形成的破坏区域在缩小,对空孔的作用在不断的减小,但裂纹总是向空孔处进行扩展,中间空孔对爆炸应力波具有一定的偏转作用,从而有利于提高空孔对裂纹的控制作用。

3.3 应力结果分析

为分析不耦合炮孔爆破时与空孔之间的应力传播情况,同时研究不同间距下对空孔作用的应力大小。因此,在左侧水平中心线空孔处分别选取4个测点,测点的坐标和编号分别为:A(80,280,0)、B(100,280,0)、C(140,280,0)、D(160,280,0),其中B点和C点分别位于炮孔的作用两侧,距离空孔中心20 mm,A点和D点位于炮孔左侧距空孔中心40 mm,如图8所示。

图8 应力测点布置Fig.8 Layout of stress measurement points

由不同炮孔-空孔距离下各测点应力-时间(见图9)及峰值应力(见表6)可知,随着l增大时,各测点的应力峰值逐渐降低,在“空孔效应”的作用下,测点C的应力峰值均高于测点D、测点B。在l分别为80、100、120 mm的情况下,测点C的峰值应力比测点D依次高0.79、0.24、0.05 MPa,测点C的峰值应力比测点B依次高4.90、3.76、2.06 MPa,说明爆破应力波越大时在空孔处的反射拉伸作用越明显。即到达空孔处的爆炸应力波越大,“空孔效应”越明显,反之“空孔效应”越微弱。

图9 测点应力-时间Fig.9 Time-history curve of stress at measurement points

表6 部分坐标点应力波峰峰值

4 结论

1)中间空孔能改善预裂爆破的爆破效果,选择合适的炮孔—空孔距离有利于良好爆破轮廓面的形成,还能减少对主爆区或保护区过度破坏。

2)预裂爆破时,中间空孔对裂纹的扩展具有一定的引导作用,随着炮孔—空孔距离的增大,虽爆炸应力波形成的破坏区域在缩小,但裂纹仍是向空孔处进行扩展。中间空孔对爆炸应力波具有一定的偏转作用,选择合适的炮孔—空孔距离有利于提高这种偏转作用的利用率。

3)在空孔处的“空孔效应”作用受到达空孔的爆破应力波大小限制,爆破应力波越大,在空孔处的“空孔效应”越明显,反之则在空孔处的“空孔效应”越微弱。选择合适的炮孔—空孔距离使空孔处的叠加应力波刚好满足形成良好爆破轮廓面的要求范围,有利于预裂爆破效果的改善。