不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響研究

明　悅，胡浩川，周建敏

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，　貴州 貴陽(yáng)　550002)

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不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響研究

明悅，胡浩川，周建敏

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng)550002)

為研究不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響，在貴州省某露天礦爆破施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)改變不同空氣間隔裝藥位置來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。采用分析軟件對(duì)爆破后的塊度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，空氣層置于炮孔中部時(shí)，其爆堆的破碎效果最優(yōu)，不僅能夠保證上部巖體的充分破碎，又能保證下部巖體不留根底，巖體的損傷效果最好。

空氣間隔裝藥；塊度分布；損傷范圍；爆破效果

0　前　言

空氣間隔裝藥是爆破工程技術(shù)人員在尋求經(jīng)濟(jì)、高效的工程爆破技術(shù)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的一種裝藥結(jié)構(gòu)。盡管相比連續(xù)耦合裝藥其存在裝藥施工更為繁瑣的缺點(diǎn)，但是由于空氣間隔裝藥具備炸藥單耗小、爆破破碎效果好的作用，一直受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者們的重視和青睞。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家、學(xué)者們對(duì)于空氣間隔裝藥爆破都不乏理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面的研究，對(duì)于該項(xiàng)爆破工程技術(shù)也積累了相當(dāng)豐富的研究成果[1￣2]。但是目前對(duì)于不同空氣層位置的選擇，國(guó)內(nèi)外學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)：Monxon和張迎吉等人[3￣4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究得出空氣層置于炮孔中部的爆破破碎效果要優(yōu)于空氣層置于其它位置；而池恩安和張楚靈[5￣6]等認(rèn)為空氣層置于底部的爆破效果則更好。

本文以貴州省某露天礦為爆破工程試驗(yàn)對(duì)象，將空氣柱分別置于藥包上部、中部、底部3個(gè)位置，并與連續(xù)爆破進(jìn)行對(duì)比分析，研究其對(duì)巖體破碎效果的影響。并結(jié)合有限元LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析巖體的損傷范圍，從而確定最佳的空氣間隔位置。

1　現(xiàn)場(chǎng)爆破效果試驗(yàn)

1.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

在貴州某露天礦爆破現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)改變不同空氣間隔裝藥位置來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，得到不同爆破條件下的巖體破碎效果。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)共分為4種不同工況：上部空氣間隔裝藥爆破、中部空氣間隔裝藥爆破、底部空氣間隔裝藥爆破和連續(xù)裝藥爆破，其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上述4種工況下爆破的主要參數(shù)為：炮孔直徑165 mm，臺(tái)階高度15 m，孔深16.5 m，超深1.5 m，空氣層高度2 m，填塞長(zhǎng)度4.5 m，孔距為6 m，排距為5 m，單孔藥量為168 kg。

1.2爆破塊度結(jié)果分析

每次現(xiàn)場(chǎng)爆破后拍攝爆堆，通過(guò)Split-Desktop 3.0軟件分析爆堆的塊度分布來(lái)表征爆破破碎效果。不同位置空氣間隔裝藥爆破和連續(xù)裝藥爆破的塊度分布結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表1，根據(jù)分析結(jié)果繪制不同工況條件下爆破塊度分布變化情況如圖2所示。

根據(jù)表1和圖2結(jié)果可知：

(1) 分析爆堆平均塊度分布發(fā)現(xiàn)：連續(xù)裝藥爆破爆堆的平均塊度最大，為45.63 cm，上部、中部和底部空氣間隔裝藥爆破的平均塊度分別為38.42 cm、24.43 cm和27.28 cm。

(2) 分析爆堆最大塊度分布發(fā)現(xiàn)：連續(xù)裝藥爆破爆堆的最大塊度最大，為109.38 cm，中部空氣間隔裝藥爆破的最大塊度最小，為70.16 cm。從爆堆平均塊度分布及最大塊度分布情況看，中部空氣間隔裝藥爆破的破碎效果最優(yōu)。

2　數(shù)值模擬

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)不同位置空氣間隔裝藥爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合工程實(shí)際情況，模擬不同空氣間隔條件下巖體的損傷特性，以期為實(shí)際工程提供參考。

圖1　不同位置空氣間隔裝藥和耦合裝藥結(jié)構(gòu)

圖2　不同工況條件下爆破塊度分布變化情況

2.1模型建立

本次模擬采用三維網(wǎng)格來(lái)模擬爆破的流固耦合問(wèn)題，為了減少計(jì)算量，在建模過(guò)程中采用過(guò)渡網(wǎng)格模式，炮孔附近網(wǎng)格較密，逐漸過(guò)渡到較大的網(wǎng)格。4種不同工況的計(jì)算過(guò)程均設(shè)置為炸藥底部起爆。模型底部、兩側(cè)及后側(cè)均定義為無(wú)反射邊界，模型其它界面定義為自由邊界。

2.2材料模型與狀態(tài)方程

(1) 巖體材料模型。在本次模擬過(guò)程中，采用JHC模型來(lái)模擬巖石，該材料能較好的模擬出脆性材料在高溫、高壓、大應(yīng)變率等條件下的受力狀態(tài)。

(2) 爆轟波和氣體。采用高能炸藥模型以及JWL狀態(tài)方程[7]模擬炸藥產(chǎn)生的爆轟波。JWL狀態(tài)方程為：

(1)

式中,E為內(nèi)能， Pa；A，B，w，R1，R2為炸藥特征參數(shù)，一般為常數(shù)；V為炸藥相對(duì)體積。炸藥材料參數(shù)如表2所示。

表2　炸藥材料參數(shù)

2.3巖體損傷特性結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同位置空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)下巖體的最終損傷范圍，如圖3所示。

圖3不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破巖體的損傷范圍情況

根據(jù)圖3可知：

(1) 在其他爆破參數(shù)一致的條件下，連續(xù)裝藥時(shí)巖體的損傷范圍最大。

(2) 采用底部空氣間隔時(shí)，可以看到由于空氣層的存在，使得臺(tái)階底部的巖體受損范圍較小，容易產(chǎn)生根底。而采用頂部空氣間隔裝藥時(shí)，臺(tái)階底部巖體損傷范圍較底部空氣間隔裝藥大，同時(shí)堵塞段巖體的損傷范圍比底部間隔裝藥要小，容易導(dǎo)致孔口處產(chǎn)生大塊。

(3) 對(duì)于中部空氣間隔裝藥，其在炮孔頂部和底部都有合適的損傷范圍，既保證了上部巖體的充分破碎，又保證了下部巖體不留根底，而中間部分的巖體也能被破壞，就破碎效果來(lái)說(shuō)，中間空氣間隔裝藥效果最好。

3　結(jié)　論

為研究不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響，在貴州某露天礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用Split-Desktop 3.0分析軟件及LS-DYNA數(shù)值模擬方法，對(duì)連續(xù)裝藥及不同位置空氣間隔裝藥爆破的破碎效果和損傷范圍進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，炮孔中部空氣間隔裝藥爆破的平均塊度及最大塊度尺寸均為最小，取得了最好的爆破破碎效果。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)采用中部空氣間隔裝藥爆破時(shí)，巖體的損傷效果最好。既保證了上部巖體的充分破碎，又保證了下部巖體不留根底，而中間部分的巖體也能被破壞。

[1]吳亮,朱紅兵,盧文波.空氣間隔裝藥爆破研究現(xiàn)狀與探討[J].工程爆破,2009,15(1):16￣19．

[2]吳亮,位敏,鐘冬望,等.空氣間隔裝藥爆破動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)特性研究[J].爆破,2009,26(4):17￣21.

[3]Monxon N T, Mead D, Richardson S B. Air-decked blasting techniques:Some collaborative experiments.Transactions of the Institution of Mining & Metallurgy[J].Section A:Mining Industry,1993(102):25￣30.

[4]張迎吉,周建敏,徐文文,等.不同位置空氣間隔裝藥爆破減振和破碎效果試驗(yàn)[J].工程爆破,2015,21(1):15￣19．

[5]池恩安,梁開(kāi)水,趙明生.孔底空氣間隔裝藥降震試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(06).

[6]張楚靈,姜建明,黃鐵平.云浮硫鐵礦底部間隔裝藥技術(shù)的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2001,1(2):64￣65.[7]康強(qiáng).空氣間隔裝藥爆破數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

2016￣02￣17)

明悅(1975-),男,高級(jí)工程師,主要從事爆破工程方向的研究，Email：602574716@qq.com。