基于數值模擬的并敷裝藥爆破效果

張光雄，歐陽天云，尚文凱，趙明生，司海峰

(1.保利民爆哈密有限公司，新疆 哈密 839200；2. 保利新聯爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；3. 哈密市和翔工貿有限責任公司，新疆 哈密 839200 )

新疆巴里坤縣別斯庫都克露天煤礦(以下簡稱“別礦”)地質條件復雜，巖層性質差異大，巖體裂隙發育，地質構造豐富，裂隙水蘊含量大，為新疆片區最難開采的露天煤礦。自建礦以來，別礦深孔臺階爆破一直存在大塊和根底過多的問題，對根底和大塊的二次處理，拖慢施工進度，嚴重制約著后續的采、運、排效率，影響著礦山的整體經濟效益。考慮別礦現有銨油和乳化兩種炸藥類型，通過對這兩種炸藥采用并敷裝藥結構，分析不同比例的并敷裝藥結構對爆破效果的影響，探求合適的并敷炸藥比例。這對于改善爆破效果，解決大塊和根底過多問題以及降低生產成本具有重要的現實意義。

并敷裝藥結構是指兩種及以上爆速不同的炸藥捆綁或搭接在一起，形成的整體裝藥結構。類似光面爆破及預裂爆破中使用導爆索自底向上沿軸向連接的裝藥結構，以及在含水炮孔爆破中，為了節約成本，采用下部乳化裝藥上部銨油裝藥的并敷裝藥結構。目前，對并敷裝藥結構的研究僅在理論上取得了些成果，王新生、梁銳等[1-2]對并敷裝藥結構的傳爆特性進行過研究。通過實驗及理論分析得出：無論并敷段的炸藥哪個先起爆，沿著并敷段軸向方向，爆轟總是以其中最大的爆轟速度進行傳播。但是在實際應用中，針對單種類型炸藥和并敷裝藥的效果分析研究較少。本文從工程實際出發，運用數值模擬技術對不同裝藥比例的并敷炸藥進行研究，以探求合理的并敷裝藥結構，改善爆破效果。

1 計算模型及實驗方案

由于分析的是并敷炸藥對深孔臺階爆破效果的影響，為了簡化模型，降低計算時長，只對一個炮孔中并敷炸藥的爆破效果進行分析，鑒于模型的軸對稱特點，建模時只建四分之一模型。炸藥和空氣采用多物質ALE算法[3]，巖石采用Lagrange算法，為了較為貼近現場實際，對巖石模型四周邊界施加透射條件，上邊界作為臨空面不做處理，模型采用cm-g-s單位制建模，模型尺寸1.5 m×1.5 m×1.5 m，裝藥總長度1 m，位于模型中心，炮孔直徑120 mm。實驗網格模型如圖1所示。

圖1 實驗網格模型Fig.1 Experimental grid model

實驗中，為了找到不同的并敷裝藥結構對爆破效果的影響規律，采用控制變量法，建立6組參考對比模型。保持其他條件不變，僅改變乳化炸藥與銨油炸藥的長度，具體實驗參數如表1所示。

表1 不同并敷裝藥結構的具體參數

2 材料參數的選取

2.1 炸藥參數

炸藥爆轟產物的狀態方程選用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態方程[4-5]。其形式為

(1)

式中：p為爆轟壓力；V為相對體積；E為單位體積炸藥內能；A1，B1，R1，R2，ω為JWL方程的相關參數。

模型所用炸藥材料及狀態方程參數如表2所示。

表2 炸藥材料及狀態方程參數

2.2 巖石參數

巖石在爆炸荷載的作用下表現出高應變率和大變形的破壞特征，為了準確描述巖石爆破的損傷和失效過程。本文選用JHC(Johnson_Hlmquist_Concrete)[6-8]巖石材料模型。該模型將巖石的損傷因子D定義為等效塑性應變和塑形體積應變累加。

(2)

巖石損傷模型(HJC)參數如表3所示。

表3 HJC模型參數

3 數值模擬及結果分析

3.1 巖石的裂紋擴展分析

巖石中的炮孔在爆炸后會在炮孔周圍形成破碎區、裂隙區和彈性振動區(見圖2)，各模型的破碎區基本已形成，裂隙區處于正在擴展的狀態。由于網格精度的問題，其失效刪除的單元并不規整，但各模型在同一時間的整體損傷效果差異明顯，可以看出：①全部使用乳化炸藥的爆破效果要比并敷裝藥效果好，并敷裝藥的效果比全部使用銨油炸藥的好，這是因為圖2a中的裂隙損傷范圍大于圖2b～圖2e的裂隙擴展范圍，而圖2f的裂隙擴展范圍最小，并且并敷裝藥模型的裂隙擴展范圍差異并不明顯；②并敷裝藥模型中，乳化與銨油炸藥接觸部位爆破效果明顯，從圖2b～圖2e可以看出，在2種炸藥接觸部位形成了較大的破碎區。

3.2 參考點的應力傳播分析

為了分析不同裝藥比例模型的應力隨時間變化差異，在模型中選擇距離爆破中心點1 m，分布于炮孔一側的3個單元(見圖3)作為分析對象，分別為#162351、#178235、#195563。為了避免因模型與實際現場存在的差異造成分析誤差，3個單元的應力-時間僅取應力波到達并累計200s的范圍。這段時間不存在臨近炮孔的應力波干擾，可作為該炮孔能量的實際輸出來參考。

從#162351單元的壓力-時間曲線(見圖4)可看出：從應力波作用開始，到達應力峰值(模型6例外)，模型1～5的應力-時間曲線基本重合，而模型6應力增速較慢，且峰值較小。說明全部使用乳化炸藥以及采用并敷裝藥在應力傳播前期，其效果基本一致，而全部使用銨油炸藥，應力加速度較小，且應力峰值小于其他裝藥形式。

圖4 #162351單元在不同模型中的壓力時程Fig.4 Pressure time-history of #162351 unit in different models

#178235單元與#162351單元在到達應力波峰前的應力-時間關系基本類似(見圖5)：模型1～5基本一致，而模型6在應力加速度和應力峰值上均小于其他模型。

圖5 #178235單元在不同模型中的壓力時程Fig.5 Pressure time-history of #178235 unit in different models

#195563單元延續了以上兩個單元的基本走勢(見圖6)，但模型1～5的應力-時間曲線重合度較其他單元模型差。通過這3個參考點的分析，可以得到全乳化炸藥和并敷裝藥的效果差異不大，全銨油裝藥效果較差。對于#178235單元和#195563單元的應力波峰前的曲線模型1～5重合度較差的結果，分析認為是由于采用孔底起爆的緣故，隨著炸藥從下往上逐步爆轟，失效刪除的單元會對應力的傳播造成一定影響，所以距離起爆點越近的地方所受的影響越小。

圖6 #195563單元在不同模型中的壓力時程Fig.6 Pressure time-history of #195563 unit in different models

3.2 爆破后巖石的能量變化分析

從巖石材料的內能、動能和總能量隨時間變化的曲線可以看出(見圖7～圖9)：①模型1～5巖石總能量在達到峰值之前，其曲線基本重合，且峰值能量較模型6大；②模型1的內能和動能隨時間變化的曲線在前期與其他模型相似的基礎上達到了更高的峰值。分析得出：全乳化裝藥和并敷裝藥的爆破能量作用效果在前期基本一致，且都較全銨油裝藥效果好；全部采用乳化裝藥的效果最好，其次是并敷裝藥，而全部采用銨油裝藥的效果最差。

圖7 巖石材料的內能-時間變化關系Fig.7 Time-internal energy variation of rock material

圖8 巖石材料的動能-時間變化關系Fig.8 Time-kinetic energy variation of rock material

圖9 巖石材料的總能量-時間變化關系Fig.9 Time-total energy variation of rock material

綜合以上分析結果，針對全乳化炸藥和并敷裝藥在應力傳播和能量累計上的相似性，可用文獻[2]對并敷段炸藥傳爆特性的研究結果進行解釋：沿不同爆速炸藥并敷段軸向，爆轟總是以其中最大的爆轟速度進行傳播[1-2]。所以，并敷裝藥的爆轟傳遞特征總是與爆速高的乳化炸藥傳爆特征類似。

4 結論

1)全乳化裝藥的整體效果要比并敷裝藥和全銨油裝藥的效果好，針對爆破區域地質環境復雜的炮區當優先考慮全乳化裝藥，以減少根底和降低大塊率。

2)全乳化裝藥和并敷裝藥的效果差異不大，且不同比例的并敷炸藥模型對爆破效果的影響差異也較小，鑒于銨油炸藥的成本低于乳化炸藥，在綜合考慮成本和爆破效果的基礎上，可優先考慮并敷裝藥結構，并可適當采用大比例銨油并敷。