不同位置減震溝對爆破效果影響數值模擬研究

張袁娟 ， 向 彬

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.湖北宜化集團礦業有限責任公司，湖北 宜昌 443100)

隨著爆破技術的普遍應用，爆破振動成了不能忽視且亟待解決的問題。減震溝由于操作簡單，降振效果較好，在爆破施工過程中得到了廣泛的應用。文獻[1]通過減震溝的最佳深度、最佳寬度、最佳長度和最佳位置進行分析，得出各影響因素對減震效果的影響權重關系；文獻[2]運用數值模擬軟件LS-DYNA，研究不同高程條件下減震溝的減震效果，得出高程對爆破效果有一定的影響，正高差對減震效果更為明顯的結論；文獻[3]為了研究減震溝的減震效果，運用LS-DYNA數值模擬軟件，對有無減震溝的工程進行對比分析，得出減震溝的最高減震可以達到70%，從理論上闡述了減震溝的降振作用。相關學者對減震溝的減震作用進行了大量的研究，本文基于以前學者的研究基礎，運用大型動力分析軟件LS-DYNA結合現場試驗，對減震溝與爆源的位置對爆破效果的影響進行分析，以期擴充減震溝對爆破效果影響的理論。

1 模型的建立

1.1 炸藥材料參數及控制方程

高能炸藥模型MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN能較好地反應爆破過程。JWL是專為描述炸藥等含能材料爆炸時的壓力特性而設定的一種狀態方程[4-6]，其表達式為：

(1)

式中：V為體積變化；P為壓力，Pa；R1、R2、ω、B和A是材料常數；E0為初始比內能。

為了能更好地模擬實際工況，數值模擬中選用密度950 kg/m3和爆轟速度3 600 m/s的2號巖石乳化炸藥進行數值模擬。

1.2 空氣控制方程以及參數選取

LS-DYNA軟件中的MAT＿NULL材料以及線性多項式狀態方程能較好地反映空氣的氣體動力學屬性，方程形式為：

P=C1+C2η+C3η2+(C4+C5η+C6η2)E

(2)

η=1/V-1

式中：P是壓力，Pa；C1～C6為常數；V是初始相對體積；E為內能與初始體積之比；η為比體積。

空氣的參數如表1所示。

表1 空氣參數選取

1.3 數值模擬模型構建

根據具體土石方平整場地爆破工況模型，分別建立減震溝距離爆源15 m、25 m和無減震溝模型。以無減震溝模型為基準模型，建立3種工況數值模擬模型，其中爆破參數依據現場中深孔爆破工況進行選取，主爆孔直徑90 mm，炮孔深度10.5 m，堵塞長度3 m，其中超深0.5 m，最小抵抗線3 m，裝藥方式均采用耦合裝藥方式，起爆方式采用底部起爆，建模采用的單位均為m-s-kg，在兩種工況中減震溝寬2 m、深3 m，計算時間為0.05 s。為了降低數值模擬中炸藥產生的爆轟波在基巖中的傳播，因此模型的底部建立0.5 m的巖石，側面和底部均設置為無反射邊界，兩種工況數值模擬剖面如圖1和圖2所示，巖石力學參數參照相關文獻選取，見表2。

圖1 無減震溝模型截面圖(m)

圖2 有減震溝模型截面圖(m)

表2 數值計算中采用的巖石力學參數

2 模擬計算與結果分析

利用LS-DYNA中的爆轟過程模擬功能，直接輸入炸藥參數，通過炮孔內爆轟模擬和爆轟產物與孔壁的相互作用來確定爆炸荷載[6-7]。選取模型中心線距離爆源15 m和25 m的節點為原點，見圖3。分析兩種不同工況的選取節點的峰值振速，爆破振動峰值振速典型歷程曲線如圖4所示。沿著模型中心線從減震溝右邊緣起依次以10 m為步距選取相應節點，提取5個節點垂直向、水平徑向和水平切向峰值振速，如表3所示。

圖3 節點選取示意

圖4 峰值振速典型歷程曲線圖

由表3的節點速度可以直觀地看出，減震溝有顯著的降振作用。3種工況中，距離爆源15 m的工況和距離爆源25 m工況的減震溝對爆破效果均有較好的減震效果。節點D1處因距離爆源較近，峰值振速較大，其余各點峰值振速隨著距離爆源距離的增加而衰減，符合爆破振動衰減的規律。減震溝距離爆源25 m工況的爆破振動峰值振速小于距離爆源15 m工況。減震溝增加了體波和面波的傳播距離，不同位置減震溝對爆破峰值振速有較大影響，因此現場減震溝的開挖位置應結合具體的工況、距離被保護物的距離進行設置。

3 現場試驗

為了驗證不同位置減震溝對爆破效果影響分析，選擇貴州遵義某土石方項目進行現場試驗。由于施工現場臨近民房，民房大多為磚混結構，需要嚴格控制爆破振動。結合工程實際工況，在優化爆破參數的基礎上設置減震溝，以達到更優的減震效果，降低爆破危害。爆破施工中采用 90 mm 孔徑，孔深 11 m，孔距和排距均為 4 m，其中超深1 m，起爆方式為孔底起爆。現場測振監測實驗使用成都中科動態儀器有限公司生產的EXP4850爆破振動儀及配套的速度傳感器，分別選擇在巖石類型相同的兩次爆破施工中進行。減震溝寬2.5 m、深3.5 m，一條減震溝距離爆源30 m，一條距離爆源40 m，減震溝由機械設備完成。選取相同爆源區域、相同爆心距民房基礎處作為監測點，進行爆破振動監測對比實驗，各測點峰值振速對比如表4所示。

表3 兩種工況峰值振速對比

表4 兩種不同工況現場實驗峰值振速對比

由于保護對象為磚混結構，根據《爆破安全規程》( GB6722 -2003) ，為保證被保護磚混民用建構筑物的絕對安全，爆破振動的最大峰值振動速度不應大于 1.0 cm/s。由表3 可知，爆破振動監測數據均未超過規定值，因此被保護建筑物是安全的。但是由于此土石方工程工期較長，爆破存在累積效應，因此，爆破振動的作用越小越好。由表3數據分析可知，減震溝設置離爆源較近的，爆破振動峰值小，因為爆破能量的衰減絕大部分在爆破近區完成，減震溝離爆源越近，爆破減震效果越好。因此減震溝的設置應根據實際工況以距離爆源較近為宜，補充驗證了數值模擬部分結論。

4 結 語

本文從峰值振速的衰減角度對不同位置減震溝的減震效應進行了分析并結合現場試驗進行論證，得出以下結論：

1) 減震溝對爆破能起到很好的降振作用；

2) 對減震溝距離爆源不同位置兩種工況的減震效應進行數值模擬分析，數值模擬的方法能很好地彌補減震溝距離爆源太近儀器不能監測的缺點，更好地再現減震溝的減震效果。減震溝的減震效果和距離爆源的位置有關系。現場試驗進行驗證，得到相同的減震規律，對在現場根據實際工況選擇合適的減震溝位置提供了理論基礎；

3) 數值模擬過程中由于劃分網格的多少和方法不同導致計算結果不同，但是對其規律性無影響。

隨著減震溝在實際工況中的應用越來越多，減震溝減震效果理論亟待進一步擴充。減震溝的寬度、深度以及減震溝中填充物不同等對爆破效果的影響將是下一步研究的內容。