不同药包结构岩石爆破效应的数值模拟研究

田应祥 焦安军 林华颖

摘 要：为探究不同药包结构爆破效应，采用数值模拟手段建立不同装药结构模型，分析爆破过程裂岩石隙扩展及其应力分布。结果表明：在两种不同药包结构爆破中，由于切缝药包聚能效应，使得爆破应力对炮孔壁做功最大的是切缝药包爆破的切缝方向，其次为普通爆破，最小为切缝药包爆破的非切缝方向。根据岩石裂隙扩展图，切缝药包爆破先于普通药包爆破形成贯通裂隙，普通药包爆破岩石裂隙分布由炮孔中心向四周近似均匀延伸，而切缝药包爆破岩石裂缝破坏最明显的是切缝方向。在模型贯通裂隙形成前，切缝药包爆破应力大于普通药包爆破，裂隙贯通后，形成有效卸压通道，普通药包爆破应力高于切缝药包。

关键词：爆破   切缝药包   数值模拟   裂隙扩展   爆破应力

中图分类号：TD235.12

Research on the Numerical Simulation of the Rock Blasting Effect of Different Charge Structures

TIAN Yingxiang1*    JIAO Anjun2    LIN Huaying3

1.Department of Public Security， Guizhou Police College， Guiyang， Guizhou Province， 550005  China; 2. Bijie Energy Development Technology Center， Bijie， Guizhou Province， 551799 China; 3. Guizhou Institute of Mine Safety Science Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550025  China

Abstract ： In order to explore the blasting effect of different charge structures， different charge structure models are established by numerical simulation， and the crack propagation and stress distribution of fractured rock during blasting are analyzed. The results show that in the blasting of two different cartridge structures， due to the energy-gathering effect of the slotted cartridge，  the largest force of blasting stress on the blast hole wall is at the slotted direction of slotted cartridge blasting， followed by ordinary blasting， and the smallest force is at the non-slotted direction of slotted cartridge blasting. According to the rock fracture propagation diagram， slotted cartridge blasting is prior to ordinary cartridge blasting， forming a penetrating fracture， and the rock fracture distribution in ordinary cartridge blasting extends approximately evenly from the center of the blast hole to surrounding areas， and the most obvious damage of the rock fracture in slotted cartridge blasting is at the slotted direction. Before the formation of the penetrating fracture of the model， the blasting stress of the slotted cartridge is greater than that of the ordinary cartridge. After the fracture is penetrated， an effective pressure relief channel is formed， and the blasting stress of the ordinary cartridge is higher than that of the slotted cartridge.

Key Words： Blasting ; Slotted charge ; Numerical simulation ; Fracture propagation; Blasting stress

爆破技术具有高效快速等优点，其广泛应用在建筑拆除、矿山开采、隧道交通等行业[1-3]。但当前部分工程应用中须实现岩石定向劈裂，而切缝药包爆破的聚能作用有利于其实现定向精准爆破。为此，对比研究不同药包结构爆破后岩体裂隙扩展效果，对促进岩石爆破技术高质量发展是极有必要的。

当前，国内外学者针对切缝爆破进行研究，其中程兵等人[4]采用实验讨论了侧向环形切缝的聚能效果；段宝福等人[5]采用数值模拟手段分析爆破应力和裂隙，得出合理参数；薛永利等人[6]提出双向多点聚能爆破方法，实现爆破界面的光滑平整；周阳威等人[7]采用数值模拟方法分析环形切缝聚能效果；郭东明等人[8]分析不同切缝参数对爆破影响，并对其优化，提高爆破效果；王雁冰等人[9]通过理论分析和数值模拟，分析常规与切缝爆破岩石损伤、能量传播、振动速度等参数；吴波等人[10]采用LS-DYNA软件分析双向聚能爆破效果。

众学者针对切缝爆破进行大量研究，为更好地分析切缝与普通装药结构对岩石爆破效应的影响，拟采用数值模拟方法，构建不同药包结构，分析两种药包结构爆破后岩石裂隙扩展及应力变化，拟为以后切缝聚能爆破研究提供基础。

1 岩石爆破致裂机理

爆破过程产生应力波和爆生气体，两者对岩体进行破坏，岩体破坏形成3个区，即压碎区、裂隙区和振动区[11-12]。炮孔周围很小范围内，受到爆炸能量作用岩石被挤压形成细小岩粒，该区域称为压碎区；随着爆破应力波和爆生气体继续向深处传播，已无法压碎岩体，但会使岩体产生裂隙，该区域成为裂隙区；直到当岩石的抗拉压能力大于爆破应力波形成的应力，岩体裂隙停止发育，该区域称为振动区。

根据岩石破坏机理、Von-Mises准则和爆破荷载公式，推导径向不耦合柱状炸药爆破后产生的压碎区RC和裂隙区Rt计算公式为[13]：

式（1）至式（3）中：α为衰减指数，冲击波和应力波加载区分别为α1=2+b、α2=2-b；P1为施加于孔壁的初始压力；b为侧向应力系数，b=μd/（1-μd）；μd为岩石动态泊松比；rb为炮半径；σcd和σtd分别为岩石的动态压缩强度和动态拉伸强度。

在岩石爆破中，爆炸应力波先于爆炸产生的爆生气体，因此应力波先作用于孔壁，形成初始裂隙；后续爆生气体持续作用于裂隙，使裂隙进一步扩展。此时裂隙端部的应力强度因子KI为[14]：

式（4）中：a0为初始裂隙长度；F为修正系数，在1.5rb以外区域其值趋近于1.0；P为准静态作用下炮孔壁压力。

根据岩石断裂力学，引入岩体断裂韧性参数KIC。在爆破的准静态压力作用下，若要使初始裂隙继续扩展，则需KI≥KIC，即孔壁压力需满足式（5）：

随着裂隙不断扩展，孔内压力逐步降低，当孔壁压力满足式（6）时，裂隙则停止扩展。

式（6）中，a为当前爆生裂隙长度。

对比普通药包结构与切缝药包结构的区别，其主要在于切缝药包结构有一个“切缝的套管（切缝管）”，切缝管可根据需求在其管体上开不同类型的缝，结构见图1（a）和1（c）。切缝药包爆破时，非切缝方向，炸药爆炸能量先作用在管体上被削弱后通过空气传递，然后才作用在孔壁上；而切缝方向，炸药爆炸产生的冲击波和高压气体是经切缝聚流后通过空气传递直接作用在孔壁上。因此在切缝方向孔壁受力最大，其次为普通药包结构，最小的为切缝药包结构中非切缝方向对应的孔壁；这是由于切缝药包的聚能作用使得爆破时切缝方向孔壁压力增大，所以非切缝方向孔壁压力则会降低，见图1（b）和1（d）。再结合式（1）、式（2）和式（4）进行分析可知，在以上两种药包爆破中，切缝药包爆破在切缝方向产生的岩石粉碎区半径和裂隙扩展长度应为最大，其次为普通药包爆破，最小为切缝药包爆破的非切缝方向。

2 不同药包结构的爆破数值模拟

2.1 模型构建

建立二维模型，模型为130 cm×130 cm正方形，模型中心3 cm圆形炮孔，见图2所示。

建立切缝与普通药包结构模型，两模型大小各尺寸不变，切缝药包结构模型在套管位置分别切开两条缝，两缝夹角180°，药包结构示意图见图3所示。

2.2  材料本构模型

2.2.1   岩石材料

目前学者常用JHC模型、PK模型、弹塑性流体模型等描述岩石特性[15]，由于在爆破过程中岩体受到大应变、高应变率和高压力的状态，本文采用JHC模型来描述岩石。

JHC模型的屈服面方程为：

式（7）中：σ*为特征化等效应力；A、B、C、D、N材料强度参数；P*为特征化压力；ε＇*为特征应变率。

损伤方程为：

式（8）、式（9）中：ΔεP为单个循环内等效塑性应变；ΔμP为单个循环内等效塑性体积应变；T*为材料能够承受的最大特征水平拉力；D1和D2为损伤常量；εf，min为断裂最小塑性应变。

2.2.2 炸药材料

炸药材料采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN定义，同时状态方程采用JWL表述爆轰压力，炸药材料及状态方程参数如表1所示。

式（10）中：Pa为爆轰压力；A、B、R1、R2、ω为材料常数；Ve为相对体积；E0为初始比内能。

2.2.3   空气材料

此次模拟中，空气材料使用* MAT_NULL模型描述，空气压力采用状态方程* EOS_LINER_POLYNOMIAL线性多项式表示，模型空气材料参数见表2。

3 数值模拟结果分析

3.1 裂隙扩展分析

分别绘制切缝药包和普通药包爆破在77.986 3 μs、155.972 6 μs、233.958 9 μs、311.945 2 μs和389.931 5 μs时岩石的裂隙扩展图，裂隙扩展见图4。根据图4知，77.986 3 μs时，普通药包爆破裂隙扩展是向模型四周延伸，而切缝药包爆破的裂隙扩展主要在切缝方向，且其非切缝方向的裂隙扩展缓慢，裂隙扩展长度均比普通药包爆破的短。此外，切缝药包爆破岩石裂隙在155.972 6 μs时就形成贯穿裂隙，而普通药包爆破在模型计算最后，裂隙才扩展至模型一半。从裂隙分布的整体形状来看，普通药包爆破岩石破坏程度在各方向差异不大，而切缝药包爆破岩石破坏主要集中在切缝方向，非切缝方向破坏程度较低。

3.2 爆破应力分析

为更好地分析爆破效应，绘制不同时刻两种装药结构的爆破应力云图，其中图5（a）至5（e）为普通药包爆破，图5（f）至5（j）为切缝药包爆破。

分析整个爆破过程，模型峰值应力不断降低，这是由于爆破应力波和高压气体在传递过程中不断损失能量。对比图5（a）和5（f）可知，普通药包爆破炮孔压力低于切缝药包的，切缝药包爆破在77.986 3 μs的峰值应力为普通药包峰值应力的1.27倍；切缝药包爆破应力集中在切缝方向，而普通药包的近似均匀分布在炮孔周围。根据图5（b）和5（g）可知，当爆破经历155.972 6 μs后切缝药包爆破压力降低，低于普通药包爆破，此时普通药包爆破应力为切缝药包的2.21倍；这是由于该阶段切缝药包爆破已经形成贯穿裂隙，爆破压力通过贯穿裂隙卸压。

4 结论

（1）通过理论分析，由于切缝药包爆破的聚能作用，使其爆破后切缝方向孔壁压力增加，非切缝方向孔壁压力降低。所以导致在以上两种不同药包爆破中，孔壁岩石受力最大的为切缝药包爆破的切缝方向，其次为普通药包爆破，最小为切缝药包爆破的非切缝方向。

（2）根据岩体裂隙扩展图，切缝药包与普通药包对比，其爆破后岩体会先形成贯通裂隙，且爆破能量更多用于破坏切缝方向的岩体。

（3）在贯通裂隙形成前，普通药包爆破应力低于切缝药包结构，裂隙贯通后，形成有效卸压通道，普通药包结构爆破应力整体高于切缝药包结构。

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