某邊坡不同孔間距預裂爆破數值模擬試驗研究

張修玉,楊德強,金桑桑

(1.貴州新聯爆破工程集團有限公司, 貴州貴陽 550002;2.北京科技大學資源與環境工程學院,北京 100083;3.貴州大學礦業學院, 貴州貴陽 550025)

某邊坡不同孔間距預裂爆破數值模擬試驗研究

張修玉1,楊德強2,金桑桑3

(1.貴州新聯爆破工程集團有限公司, 貴州貴陽 550002;2.北京科技大學資源與環境工程學院,北京 100083;3.貴州大學礦業學院, 貴州貴陽 550025)

某邊坡控制爆破采用預裂爆破,為研究不同孔間距預裂爆破裝藥對邊坡爆破開挖效果的影響,通過ANSYS/LS－DYNA數值模擬和現場試驗相結合的研究方法,對不同孔間距工況下的預裂爆破進行數值模擬,并與現場試驗進行對比分析,得出采用100mm孔徑、不耦合系數為3.13、孔間距為1.0m時,爆破效果最佳,爆破孔間距越大,預縫隙越不明顯。

邊坡預裂爆破;不同孔間距;數值模擬;現場試驗

0 引 言

在邊坡控制爆破施工過程中,隨著預裂爆破技術研究的不斷深入和工程實際的要求,進行了更多的裝藥輔助結構和預裂爆破參數優化。為了得到更好的預裂爆破效果,秦建飛[1]提出了雙聚能槽藥卷的成形技術,加強了預裂爆破的聚能效果,并有一定的居中作用,但操作上還是過于繁瑣。王樂[2]等提到了聚能裝藥管的研究使炸藥能量能集中對稱分布。鐘冬望[3]等利用DYNA軟件對不耦合裝藥條件下的預裂爆破過程進行了數值計算研究。許名標[4]等采用數值模擬與爆破試驗相結合的方法進行了邊坡預裂爆破參數優化研究。徐連生[5]等對實現不耦合裝藥進行了結構研究。曲艷東[6]等利用LS－DYNA軟件分析了不同的裝藥結構與起爆方式對爆破效果的影響。

本文以某邊坡控制爆破施工為例,利用數值模擬和現場試驗方法,分析對比不同孔間距預裂爆破的爆破效果,通過調整孔間距后可使邊坡爆破開挖效果顯著,可為類似邊坡開挖工程提供借鑒。

1 工程概況及預裂爆破參數

1.1 工程概況

某市政接駁工程包括軌道交通車站土建預留及相關工程。該基坑開挖長度240m,寬度287.4m,場平相對標高±0.000m,絕對高程1251.79m,負二層坑底標高－11.40m,絕對高程1240.39m,市政接駁工程負三層標高－18.58m,絕對高程1233.21m。爆區東面300m外有磚木結構瓦房、石灰三合土砌石墻木結構瓦房、磚混結構一層和二層現澆板屋面民房,南面有樹木林苗和莊稼地,附近有一條鄉村道路,西面距離一級重要設施某高鐵站最近距125m,北面為某項目部,爆破處環境相對良好,但仍需選擇切合實際的爆破施工方案,確保周圍環境安全。在靠近西側已建的軌道區、高鐵線邊坡的開挖,需要進行邊坡控制,要盡量保持邊坡的完整性和穩定性,同時減小爆破的振動影響。故對邊坡開挖決定采用預裂爆破。

1.2 預裂爆破參數

考慮到試驗條件的限制,在不影響試驗效果的情況下盡量減少人力和財力,結合現場情況,設定預裂爆破試驗的鉆孔深度h＝4m,堵塞長度1m。每次試驗鉆6個孔。爆破器材采用Φ32mm2號巖石炸藥卷(每卷300g)、普通導爆索、塑料非電延期導爆管雷管等。本工程試驗預裂爆破參數設置見表1。

表1 預裂爆破參數設置值

2 不同孔間距預裂爆破數值模擬

采用ANSYS/LS－DYNA軟件進行不同孔間距預裂爆破數值模擬分析。爆破參數為:四孔爆破、孔徑100mm、孔深4m、空氣長度1.0m、藥包直徑32mm、孔間延時20ms。

2.1 計算模型

針對不同孔間距預裂爆破裝藥結構,為確保計算結果的可對比性,建立同一大小模型,且網格密度基本一致。由于模型的對稱性及網格單元數較多,為縮短計算時間提高計算精度,建立二分之一模型,在后處理時做平面鏡像對稱。

2.2 材料模型與狀態方程

(1)炸藥。描述巖石乳化炸藥爆轟產物壓力－體積關系采用JWL狀態方程[7-9]:

式中,V為相對體積;E0為炸藥的內能;A、B、R1、R2和ω為狀態方程參數,其參數見表2。

表2 炸藥材料及JWL狀態方程參數

(2)空氣。一般采用MAT—NULL的多項式狀態方程來描述高壓下的氣體,方程形式如下[10]:

式中,eipv0為內能與初始體積比;μ為比體積;C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6均為常數。其參數如表3所示。

表3 空氣狀態方程參數

(3)巖石與填塞材料。巖石在爆炸應力波作用下的損傷過程可采用?MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,填塞段所用的巖屑可采用MAT_ SOIL_CONCRETE材料。

2.3 模擬結果及分析

模擬不同孔間距下預裂爆破的破碎效果(見圖1～圖3),其不同工況參數如表4所示。

表4 不同孔間距工況情況

圖1 1.5m孔間距預裂爆破效果

圖2 1.2m孔間距預裂爆破效果

圖3 1.0m孔間距預裂爆破效果

比較圖1～圖3成縫過程可知,在爆破初期均能形成初始裂紋,差異較小,炮孔裂紋擴展速度較快。在20ms時,1.5m孔間距預裂爆破裂縫部分貫通;1.2m孔間距預裂爆破裂縫基本貫通;而在1.0 m孔間距時,預裂爆破能使相鄰炮孔連線之間大部分貫通,預裂爆破效果更佳,這說明孔間距越大預裂縫越不明顯。

根據上述模擬,結合該工程具體實際施工情況,進行了1.2m和1.0m兩組不同孔間距預裂爆破試驗,得出1.0m孔間距邊坡預裂爆破效果與數值模擬結果相符,達到了預期目的。

3 結 語

(1)通過ANSYS/LS－DYNA數值模擬,得出了不同孔間距下的預裂爆破效果,在1.0m孔間距時,預裂爆破效果最佳,此后隨著孔距變大,預裂效果越差;

(2)采用不同孔間距預裂爆破進行現場試驗,其爆破效果并不是孔間距越大效果越好,相反,孔距越大預裂效果越差,這驗證了數值模擬的準確性;

(3)采用數值模擬和現場試驗相結合的研究方法,對于保證邊坡平整與穩定,效果顯著,也為實際邊坡控制爆破方案優化提供參考和借鑒。

[1]秦健飛.聚能預裂(光面)爆破技術[J].工程爆破,2007,13 (2):19-24.

[2]王 樂,等.雙向線形聚能預裂爆破技術及其降震效果研究[J].礦業研究與開發,2015,35(7):27-30.

[3]鐘冬望,李壽貴.預裂爆破數值模擬及其應用研究[J].爆破, 2001,18(3):8-11.

[4]許名標,彭德紅.邊坡預裂爆破參數優化研究[J].爆炸與沖擊,2008,28(4):355-359.

[5]徐連生,等.一種傾斜炮孔不耦合裝藥居中裝置[P].中國: 201120078082.3.2011-11-09.

[6]曲艷東,吳 敏,孔祥清,等.深孔連續與間隔裝藥爆破數值模擬研究[J].爆破:2014,31(4):16-21.

[7]文 梼,譚 海.巖石爆破中的空孔效應數值計算分析[J].爆破,2011,28(3):58-61.

[8]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[J].工程爆破,2015,21(1):15-19.

[9]劉 慶,康 強,趙明生.采石場空氣間隔裝藥數值模擬及應用[J].爆破,2013,30(3):65-69.

[10]齊世福,劉新波,李裕春.水下鉆孔爆破的數值模擬[J].工程爆破,2010,16(4):13-17.

2017-04-12)

張修玉(1984－),男,陜西榆林人,工程師,碩士研究生,主要從事爆破技術研究,Email:602574716＠qq.com。