基于ANSYS/LS-DYNA的互層煤巖爆破數值模擬

馮 輝，張華棟

(葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆 烏魯木齊 830000)

基于ANSYS/LS-DYNA的互層煤巖爆破數值模擬

馮 輝，張華棟

(葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆 烏魯木齊 830000)

為了分析互層煤巖爆破過程，利用有限元動力軟件ANSYS/LS-DYNA，建立了含有7個分層的露天煤礦臺階爆破模型。模擬分析了互層巖體爆破過程壓力波的傳播衰減規律，數值計算結果表明：爆轟壓力波的傳播受互層交界面影響明顯，爆轟壓力波衰減快，局部范圍易形成高爆壓區域。在不同的煤巖層中，其有效應力分層現象明顯，裂隙區成不連續分布。

臺階爆破；互層煤巖；數值模擬

0 引 言

新疆圣雄能源股份有限公司黑山煤礦位于新疆吐魯番地區，作為我國重要的能源基地，煤炭儲量豐富，區內露天煤礦多采用爆破方式進行生產。其主采煤層位于泥巖層及砂巖層之間，具有典型的互層結構特征。互層煤巖體具有軟硬相間的力學特性，其存在多個結構面。在爆炸過程中，結構面的存在會引起應力波的多次透反射，導致應力波在不同煤巖體上的傳播的不穩定，并進一步造成爆破能量的分布不均[1-2]。爆破后通常容易出現大塊、根底、側拉、后拉、飛石危害及爆堆不規整等問題，使得挖運效率降低、安全風險增大、生產進度滯后、工藝成本增加，嚴重影響礦山正常的生產運營。

為了分析研究互層煤巖體的爆破問題，本文選擇具有代表性的某一露天臺階為工程背景，以實際施工中的孔網參數以及煤巖巖石力學參數為基礎，并運用ANSYS/LS-DYNA作為數值模擬的工具，分析全孔裝藥爆破及分段裝藥爆破下互層煤巖體應力傳播規律，及可能的煤巖體破壞特征。

1 數值計算模型

1.1 模型尺寸及網格劃分

數值模擬對象為礦區某含不同煤巖層的臺階，臺階內共含有七個分層，由于實際中的孔網參數與煤巖體范圍較大，為了減少數值計算量，本文中建立的模型為準二維計算模型，模型單元選擇為Solid164單元，模型中的巖體與現場工程相對應。實際臺階高度為10 m，臺階邊坡角度為60°。該露天礦裝藥方式通常為連續裝藥，其爆破參數如表1所示。數值模型中的下邊界和右邊界設置，以及臺階坡腳最左端邊界均設置為無反射邊界條件，其他邊界均為自由邊界，且模型不考慮重力對數值計算的影響。數值模擬采用ALE算法(任意的lagange算法)，炸藥與巖體之間的作用采用流固耦合處理，炸藥采用EULER網格。數值計算模型見圖1。

圖1 數值計算模型

1.2 材料參數

本文中的數值模擬主要涉及到煤巖、砂巖、泥巖、表土及炸藥5種材料，其中炸藥作為煤巖爆破過程中的能量供應，主要通過膨脹做功以及應力波對巖體作用。其材料選用模型“MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN”,并采用JWL狀態方程來描述炸藥爆炸后其關系[3]，其表達式為：

(1)

式中，p、V為爆炸產物的壓力與體積；A、B、R1、R2、ω、E為炸藥狀態方程參數。各炸藥參數見表2。

表2 炸藥參數

(2)

(3)

表3 黑山露天礦邊坡巖土物理力學性質指標

1.3 材料的破壞準則

巖體爆破時，由于強大的沖擊作用及大量的爆生氣體，爆破區域附近會依次產生粉碎區、裂隙區。利用Von-Mises準則能很好的反映巖體爆破工程的破壞情況[7-8]。本文數值模擬中的巖體破壞準則選擇為Von-Mises準則，其具體判據如下：

(4)

式中，σ0為巖體中Von-Mises有效應力；σcd、σtd為巖體的動抗壓強度和動抗拉強度。當σ0>σcd時，周圍巖體受壓破壞，形成壓碎區；當σ0>σtd時，巖體在拉應力作用下破壞，形成裂隙區。

2 互層煤巖體模擬結果與分析

對于巖體來說，波阻抗是表征巖體應力波傳播特性的一個重要參數，它定義為巖體的密度和縱波波速的乘積。通常，不同的巖性波阻抗不同。對于互層巖體，由于存在多組結構面，應力波在傳播過程中必然會在巖層中發生多次折返射，加速巖層的損傷變形。圖2為爆炸過程中不同時刻的壓力云圖。

圖2爆破過程數值模擬

由圖2可知，爆破開始時，炮轟壓力波開始在砂巖中傳播，致使周圍巖體應力迅速增大；在954 μs時，應力波經過泥巖層時發生了反射，砂巖中部分巖體處于拉伸應力狀態；在此時間段內，煤層段發生爆破，炮孔周圍的煤層既有橫向傳遞的壓縮波也有斜向透射過來的應力，隨著炮孔繼續往上爆破，爆破壓力波逐漸向四周擴展，形成一連續的三角爆轟壓力波。隨著互層交界面處應力波的透反射，較炮孔較遠的部分煤巖體開始受發射拉伸波的作用，應力波發生衰減，并在部分區域處于拉伸應力狀態；又加之各層爆轟波傳播速度的不同，三角形的炮轟波逐漸轉變為臺階狀的炮轟波，并最終呈現出局部高壓力的非連續狀態，如t=2040 μs及t=3060 μs圖像。

圖3為炮轟過程中某一時刻Von-Mises有效應力分布狀況，由于巖性的不同，其有效應力呈現出明顯分層現象。不同于完整煤層或巖層爆破時炮孔周邊依次分布著彈性區、裂隙區、壓碎區的現象，互層巖體由于炮轟波傳播過程中局部應力集中，炮轟能量回彈的現象，遠離炮孔的部分區域周圍必然存在裂隙區不連續的現象，致使巖體發生分區破壞。

圖3 t= 2458 μs時刻Von-Mises有效應力分布

3 結 論

通過ANSYS/LS-DYNA軟件對某含互層煤巖體的邊坡進行爆破模擬。結果發現，互層巖體交界面的存在對爆轟壓力波的傳播有著顯著影響，其會加速爆轟壓力波的衰減，尤其在交界面附近，并在局部范圍內會形成高爆壓區域。巖體內部的有效應力受互層影響，呈明顯分層現象。巖體裂隙區受互層影響，存在不連續分布狀況。

[1]徐 穎,丁光亞,宗 琦,等.爆炸應力波的破巖特征及其能量分布研究[J].金屬礦山,2002,308(2):13-16.

[2]李夕兵.鑿巖爆破工程[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[3]馮宇峰.基于LS-DYNA的預裂爆破硬夾矸弱化技術研究[J].地下空間與工程學報,2016,12(z2):726-732.

[4]王志鵬,李海超,常春偉,等.爆炸法處理軟土地基的數值模擬[J].軍事交通學院學報,2015,17(3):87-90.

[5]夏 祥,李海波,李俊如,等.巖體爆生裂紋的數值模擬[J].巖土力學,2006,27(11):1987-1991.

[6]朱 寬,周桂松,吳欣欣,等.煤層底板分層裝藥爆破數值模擬研究與應用[J].爆破,2015,32(2):72-77.

[7]郭德勇,呂鵬飛,裴海波,等.煤層深孔聚能爆破裂隙擴展數值模擬[J].煤炭學報,2012,37(2):274-278.

[8]戴 俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2001,20(20):144-147.

2017-05-08)

馮 輝(1969-)，男，重慶人，高級工程師，現主要從事礦業與水利水電工程施工管理工作，Email：842924970@qq.com。