数值模拟在“工程爆破”课程教学中的应用分析

程兵，汪泉，汪海波，李洪伟，王梦想

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

1 前言

工程爆破技术是指利用炸药爆炸释放的能量对岩石等材料实施破坏以实现特定工程目的，凭借其工艺简单、适应性强以及投入低的优势，被广泛应用于各类矿山基建工程。考虑到工程爆破技术在工程中的普遍应用，在许多高校的弹爆工程、采矿工程以及土木工程等应用型工科专业，工程爆破作为一门专业核心课程被广泛开设。工程爆破的课程内容不仅包含炸药爆破基本原理，还包括露天爆破、地下爆破以及拆除爆破等施工工艺，作为一门理论与实践紧密联系的课程，其教学过程存在着较大的难度和挑战[1]。在以往的工程爆破教学过程中，主要是利用板书和多媒体课件展示一些文字、公式和图片讲解爆破机理和爆破工艺，缺少爆破过程与爆破细节的展示，教学过程枯燥乏味，不利于学生对爆破机理和爆破工艺的理解和掌握，影响学生的学习积极性和教学效果[2]。如何在教学过程中充分激发学生的学习兴趣与学习热情，并使学生能够深刻理解和牢固掌握专业知识，有效达到课程的教学目的和培养目标，是工程爆破课程教学中亟待解决的问题。

近年来，数值模拟在工程领域内得到了很大发展，尤其是在解决工程爆破相关问题方面，其优势在于能够实现爆破历程的动态可视[3]。不过，目前数值模拟主要是用于爆破机理和爆破工艺的探索与研发，在工程爆破课程教学中应用很少。为了更加有效地达到工程爆破课程的教学目的和培养目标，本研究提出将数值模拟技术应用到工程爆破课程教学中。首先，选取合适的爆破案例开展数值模拟，充分展示其建模过程和模拟结果；然后，将模拟结果结合到对应章节的课程教学中，分析数值模拟的教学应用效果，阐明数值模拟技术如何在工程爆破课程教学中发挥作用。

2 岩巷掘进爆破数值模拟

本研究选取的案例是岩巷掘进爆破，在此案例中数值模拟在LS-DYNA程序中进行，该程序的基本情况和发展历程等在现有文献中已经详细论述[4]。

2.1 构建数值模型

由于炮孔深度远超过其半径，在不顾及炮孔两端特殊破岩效果的前提下，可以采用二维平面模型来降低数值模拟的求解量。如图1 所示，采用LS-DYNA构建二维岩巷掘进爆破数值模型，炸药和空气作为流体被绑定在一起进行建模，岩体作为被爆结构单独建模，然后移动岩体模型使得其在空间上与空气重合。岩体模型的几何尺寸为5.2m×4.8m，岩巷设计采用直壁拱形断面，掘进断面的高度和宽度分别为3.2m 和3.6m。该岩巷爆破模型共包含有2个大直径中空孔，6 个掏槽孔，10 个一圈崩落孔，12 个二圈崩落孔，31 个周边孔。中空孔的直径为110mm，其他所有炮孔的直径为42mm，各炮孔中均装填有水胶炸药。不同类型炮孔由内而外按照“掏槽孔→一圈崩落孔→二圈崩落孔→周边孔”的顺序依次起爆，炮孔起爆顺序使用*INITIATION_DETONATION 关键字进行设置。

图1 岩巷掘进爆破数值模型

在本次模拟中，炸药和空气作为流体介质使用ALE 多物质网格，岩体作为固体介质采用Lagrange 网格，两种类型介质之间的力学信息传递通过定义流固耦合算法来实现[5]。此外，岩体模型的周围需要施加无反射边界条件，用于解除模型边界应力波反射对数值模拟结果精度的不利影响。

2.2 材料模型及参数

炸药使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 高能燃烧材料模型，炸药爆炸过程中的压力、比容以及内能之间则通过JWL 状态方程进行关联[6]。空气使用*MAT_NULL 空白材料模型，其压力特性还需要利用线性多项式演变而来的状态方程进行表征。岩体使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 随动硬化材料模型，该模型囊括了应变率增大对材料强度的影响，因此能够描述岩石等脆性材料在爆炸冲击载荷作用下的动态响应问题[7]。而且，为了获取岩巷掘进爆破过程中的岩体损伤破坏情况，还要在求解文件中加入岩体单元失效关键字*MAT_ADD_EROSION，将岩体的力学强度参数设置为岩体单元失效与否的依据。三种材料对应的具体参数如表1～表3所示。

表1 炸药材料与状态方程参数

表2 空气材料与状态方程参数

表3 岩体材料以及应变率参数

2.3 模拟结果与分析

将包含上述数值模型和材料模型的关键字文件提交至LS-DYNA 的求解器进行求解，按照由内而外的顺序依次引爆掏槽孔、一圈崩落孔、二圈崩落孔和周边孔，然后利用后处理程序LSPREPOST，输出不同类型炮孔爆破以后岩巷断面内的岩体破坏历程，如图2～图5所示。

图2 掏槽孔爆破以后的岩体破坏历程

图3 一圈崩落孔爆破以后的岩体破坏历程

图4 二圈崩落孔爆破以后的岩体破坏历程

图5 周边孔爆破以后的岩体破坏历程

由图可知，当掏槽孔中的炸药爆炸以后，借助中空孔提供的自由面，掏槽孔周围岩体在爆炸载荷作用下迅速发生损伤破坏，为后续崩落孔爆破创造出新的自由面，可以减小后续崩落孔爆破过程中的围岩夹制作用。紧接着，按照设计爆破顺序依次引爆一圈崩落孔和二圈崩落孔，对掘进断面内的大部分岩石进行爆破，借助掏槽孔先行爆破开创的新自由面，崩落孔中的炸药爆炸以后可以轻易使得崩落孔周围的岩体发生破坏。

当断面面积较大而槽腔体积较小时，一圈崩落孔的主要作用是扩大槽腔范围，所以这时通常又可以将一圈崩落孔称为扩大孔。

引爆周边孔对断面内最后一层岩体进行爆破，待到周边孔爆破结束以后断面内的全部岩石均得到了有效的破坏，而且沿着周边孔爆破破坏区域外侧边缘形成了比较明显的开挖轮廓，表明周边孔的爆破破岩效果决定了岩巷断面的成型质量。通过上述对数值模拟结果的分析可以看出，采用数值模拟能够十分直观地展现岩巷掘进全断面爆破的破岩机理和历程。

3 教学应用效果分析

将上述数值模拟结果应用到工程爆破的“井巷掘进爆破”章节的课程教学中，结合模拟结果讲解相关的课程内容，内容包括井巷掘进爆破的步骤，即掏槽爆破、崩落爆破和周边爆破；岩巷掘进爆破的炮孔分类，即掏槽孔、崩落孔和周边孔；井巷掘进爆破的施工难点以及爆破方案设计理念，即掏槽爆破作为难点一决定着井巷钻爆掘进速度，周边爆破作为难点二控制着着井巷断面轮廓成型质量，基于两大施工难点，在实际工程中形成了“抓两头、带中间”的爆破方案设计理念。

课后学生普遍反映，通过观看岩巷掘进爆破模拟的结果图片或视频，使得原先枯燥乏味的课程知识变得生动形象，可以很好地帮助其深入理解和扎实掌握上述井巷掘进爆破方面的有关专业知识。同时，通过展示数值模拟结果，提高了学生们对井巷掘进爆破和岩石爆破机理等方面的学习兴趣，而且学生在此过程中感受到了数值模拟技术在工程爆破设计与科研方面的实用性和重要性，激发了学生对岩石爆破数值模拟程序的学习热潮。

4 结束语

本文以岩巷掘进爆破为例，展现了岩巷掘进爆破的建模过程和模拟结果，并将岩巷掘进爆破的数值模拟结果融入到实际课程教学中。结果表明：数值模拟能够十分直观地展现岩巷掘进爆破的破岩历程；在工程爆破课程教学中采用数值模拟技术，不仅有助于学生深刻理解和牢固掌握工程爆破课程的专业知识，并且还可以提升学生对工程爆破课程的学习兴趣，激发学生对岩石爆破数值模拟程序的学习热情。