裂隙巖體空氣間隔裝藥數值模擬研究*

王園園，琚芳芳，康強

(1.貴州建設職業技術學院， 貴州 貴陽 551400；2.保利新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002)

在巖體力學理論分析中，絕大部分情況下都是基于完整各向同性巖體的假設開展研究，但是在實際工程施工當中完整巖體是難以遇見的特殊情況，節理裂隙巖體是自然巖體的普遍情況。節理裂隙的存在，導致了自然巖體顯著的各向異性，對于工程爆破效果有顯著影響。爆破的三種主要爆破作用形式，爆轟波、應力波及爆生氣體均受到節理裂隙構造的顯著影響。對于爆轟波與應力波，在節理裂隙處由于物理上的分隔狀態，會受到顯著的隔斷作用的影響，導致節理裂隙后巖體的破碎效果。對于爆生氣體，節理裂隙的存在一方面同樣限制了爆生氣體的準靜態壓力對巖體的作用范圍，另一方面裂隙巖體在爆破作用下裂隙貫通，導致了爆生氣體準靜態壓力的快速下降，導致爆生氣體作用的下降。

在合適條件下，合理的空氣間隔裝藥形式能夠降低成本并控制爆破效果。節理裂隙巖體條件下的空氣間隔裝藥爆破，目前相關研究十分少見，由于涉及巖體不完整性與各向異性以及特殊的裝藥形式，裂隙巖體空氣間隔裝藥將涉及較多的條件影響，在影響因素眾多的條件下能否實現間隔裝藥以及如何實現降本增效的目的是一個有待研究的課題。

1 空氣間隔裝藥原理概述

根據有關實驗研究，空氣間隔裝藥條件下，爆破應力波對巖石的作用時間相比連續耦合裝藥可以延長達5倍的程度。除了該作用以外，在空氣間隔層位于中部的情況下，由于上下裝藥段分別同時起爆，當沖擊波在炮孔中部的間隔區域相遇時，由于波的疊加作用，在間隔位置理論上可以產生更強的爆破作用效果。

以往的實驗與理論研究普遍認為空氣間隔裝藥能夠有利于改善爆破效果，文獻[1-2]總結相關研究并開展理論推導，認為空氣間隔裝藥的合理間隔比例在10%～40%，且基于理論推導提出存在一個最優的間隔比例，使空氣間隔裝藥爆破效果達到峰值，低于或高于該比例間隔爆破效果都會有所降低。

根據空氣間隔裝藥的有關理論，空氣間隔裝藥理論作用的實現依賴于空氣層的儲能作用[1-3]，因此必然需要以空氣層的穩定存在為基礎。如果巖體不完整，巖體中自然存在的節理裂隙在間隔裝藥位置出現，且在爆破過程中受爆破作用過早貫通擴大，將不利于空氣層的穩定存在，發揮儲能作用。因此，本研究主要針對垂直節理，在爆破后的一定時間內節理不會在間隔位置貫通，對間隔位置空氣層發揮作用不產生直接的影響。

2 數值模擬

數值模擬采用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件，通常采用Lagrangian、Eulerisn、ALE這3種方式對巖體爆破展開模擬。模擬空氣間隔裝藥，由于模型中存在空氣，在爆破模擬中容易產生過大的畸變導致運算過程的中止，因此不適合采用網格變形的Lagrangian算法，而適合采用可以控制網格畸變的Eulerisn、ALE方法[4]。本模擬采用ALE算法，以保證模擬運算的運行。

2.1 模型及參數

現實中的巖體狀態迥異，巖體不完整、各向異性，理論分析與模擬分析中均需要對實際條件進行合理簡化。該模擬所用模型為單孔爆破，如圖1所示空氣間隔位于裝藥正中部間隔比例20%，即 1.2 m，上下兩端裝藥均為自底部的反向起爆方式[5]，邊坡面簡化為垂直面。為了提高運算效率，采用單位厚度模型，共有單元8.9萬個，節點17.9萬個。圖1中模型前后兩面約束垂向位移模擬對稱面，AB、BC、CD這3面均施加無反射邊界模擬無限介質條件。模擬只針對垂直節理，包括閉合節理與充填節理，節理面與巖體間采用面面接觸定義。閉合節理為貫通閉合節理，節理間距分為30，60 cm，且模型設置為靠近邊坡一側有節理，邊坡內側無節理，兩者形成對比。充填節理厚度為 1 mm，間距 40，60，80 cm。

圖1 模型尺寸

該模型的巖石介質采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料（簡稱JHC材料）進行模擬，充填節理介質采用塑性動力學材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC定義，炸藥、空氣分別采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_NULL材料及其各自相關狀態方程*EOS_JWL、*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL定義。JHC材料是為混凝土材料的模擬問題而出現的一種模擬材料，由于混凝土與巖石性質接近，因此也適用于模擬巖石，常用于巖土爆破等沖擊荷載下的破壞過程，并可以顯示介質的壓剪損傷破壞范圍[6-7]。*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料可描述各向同性硬化和隨動硬化塑性模型，還可以考慮應變率的影響，同樣在巖石爆破中廣泛應用于模擬巖石及土壤的爆破。由于模擬的充填節理與實際的充填節理差異較大，參考相關研究文獻中的土壤模擬參數[8-10]，空氣材料采用標準密度1.29 kg/m3；炸藥材料參數為：密度 1300 kg/m3，爆速 4000 m/s，爆壓 5.5 GPa。巖石與節理材料及炸藥、空氣狀態方程參數取值見表1～表4。

表1 JHC材料參數

表2 MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料參數

表3 炸藥狀態方程相關參數

表4 空氣狀態方程相關參數

2.2 模擬結果及分析

圖2為無節理及上述幾種閉合與充填節理條件下巖體在750 μs的等效應力分布情況，其中閉合節理為靠近邊坡一側存在節理，與無節理的另一側形成對比。對比圖2可知，在節理存在的條件下，等效應力的作用范圍有顯著變化，顯著小于無節理的狀態，且隨著節理間距的減少，等效應力作用范圍進一步減小。對比閉合節理有無節理兩側的等效應力作用范圍，節理影響下范圍顯著下降約1/3～1/2。

圖2 不同條件750 μs時等效應力云圖

為了進一步分析節理的作用，在間隔位置中部法向靠邊坡一側，選取了從距離孔壁 45～270 cm的共 6個單元點對比不同條件下的最大等效應力，通過對比最大等效應力的變化值，可以反映在節理作用下該部分的爆炸應力波作用的程度。上述單元點的模擬結果見表5，最大等效應力變化曲線如圖3所示。

表5 不同條件中部法向單元最大等效應力/MPa

圖3 不同巖體條件最大等效應力變化曲線

由表5及圖3可知，節理條件下的最大等效應力相比無節理條件顯著降低，且最大等效應力降低程度與不完整性直接相關，節理間距越小，最大等效應力降低程度越大。下降程度最大點出現在充填節理40 cm間距的270 cm距離單元點處，下降程度達 42.0%。3種充填節理條件下，最大等效應力顯著呈現隨著節理間距的變小而變小的規律。同為60 cm節理間距條件，閉合節理條件下的最大等效應力要高于充填節理條件。

從圖3可以看出，部分數據沒有完全呈現出隨著節理間距減小而最大等效應力降低的現象，反而略有增大。這與應力波在節理面的反射有關，由于部分節理間距條件下選取的單元點靠近作為反射面的節理面，入射應力波在單元附近與反射應力波疊加，導致最大等效應力的增大。結合等效應力云圖與最大等效應力的整體變化情況，這種效應不影響爆破作用隨節理間距減小而整體降低的規律。

3 結論

（1）節理的存在對于爆破作用具有顯著影響，對比等效應力作用范圍，相比無節理條件，存在節理的條件下爆破作用范圍下降1/3～1/2；

（2）隨著節理間距的減小，以及巖體不完整性的提高，巖石爆破最大等效應力隨著節理間距減小呈現顯著下降的趨勢，爆破作用受到巖石不完整性的影響顯著；

（3）相同的節理間距條件，閉合節理條件下巖體的最大等效應力要高于充填節理，表明閉合節理對爆破作用的負面影響作用要略小一些；

（4）在節理面附近，入射爆破應力波與反射應力波疊加，會導致小范圍內最大等效應力的提高。