不耦合裝藥結構爆炸孔壁壓力分布特性的數值模擬①

劉玉豐，方 芳，李海謙，李啟月

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.湖南和天工程項目管理有限公司，湖南 長沙 410221）

裝藥結構是影響光面爆破效果的關鍵因素之一。為改善光面爆破效果，周邊孔常采用不耦合裝藥結構［1］。針對設計為同心不耦合裝藥結構而實際為偏心不耦合裝藥結構［2］，不少學者通過破壞特征對偏心不耦合裝藥結構下爆破作用進行定性分析［1-3］。偏心與同心不耦合裝藥結構對圍巖的損傷破壞作用不同，最終影響光面爆破效果。目前，國內外學者采用多種研究手段分析了同心與偏心不耦合裝藥結構中裝藥段孔壁壓力分布特征［4-10］，但較少采用定量的研究方法，對炮孔孔壁壓力的徑向分布特征研究也不多。本文采用ANSYS／LS-DYNA數值模擬對偏心與同心不耦合裝藥結構中非裝藥段孔壁壓力開展研究，定量分析不同裝藥結構對孔壁壓力軸向、徑向分布特征的影響。

1 建立數值模型

建立同心與偏心不耦合裝藥模型各一個，軸對稱鋼管模型長度均取L＝1 150 mm，如圖1所示，測距l分別取0.05 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，孔壁測點位于該處上、下兩側，也即β＝180°和0°對應的孔壁質點處，β為垂直于軸向截面上半徑與方向向下的豎直線夾角。

為保證仿真計算孔壁壓力結果的真實性，鋼管材料、炸藥材料和空氣介質材料分別采用*MAT_JOHNSON_COOK、*MAT_HIGH_EXPLOSI-VE_BURN和*MAT_NULL模型描述，其狀態方程分別用*EOS_GRUNEISEN、*EOS_JWL和*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL描述，其相關材料及狀態方程參數如表1～3所示。建模過程中對無縫鋼管模型的網格進行細化。建立模型時，無縫鋼管和空氣介質以及2號巖石乳化炸藥模型均采用1／4建模，在模型對稱邊界上施加對稱約束。模型計算過程中，炸藥和空氣介質材料采用ALE算法，鋼管材料采用Lagrange算法。

表1 炸藥參數及狀態方程參數

表2 空氣參數及狀態方程參數

表3 鋼管材料及狀態方程參數

2 不耦合裝藥軸向分布特征

通過仿真計算得出偏心與同心不耦合裝藥時不同測距l以及截面角度β對應測點的孔壁壓力峰值分布如表4所示。l＝0.05 m、1.0 m處測點的典型壓力時程曲線如圖2所示。由表4和圖2可知，軸向上各測點壓力值隨時間分布差異較為明顯。測點離爆心較近時，偏心裝藥耦合側率先承受沖擊波壓力且達到峰值時刻較不耦合側快；測點離爆心較遠時，各裝藥條件下耦合側與不耦合側壓力值在同一時刻幾乎重合。

圖2 不同裝藥結構軸向非裝藥段孔壁壓力-時間曲線

表4 不同裝藥結構軸向非裝藥段孔壁壓力峰值模擬結果

圖3為數值模擬得到的不同裝藥結構軸向非裝藥段不同測距的孔壁壓力峰值曲線。偏心不耦合裝藥結構中，當l≤0.5 m時，等測距截面β＝0°對應測點孔壁壓力峰值較β＝180°對應孔壁壓力峰值小，且沖擊波載荷作用于孔壁的持續時間較β＝180°對應孔壁的載荷作用時間大；當l＞0.5 m時，等測距截面β＝0°對應孔壁壓力峰值近似等于β＝180°對應孔壁壓力峰值，且空氣沖擊波作用時間亦近似相等。同心不耦合裝藥結構中，相同測距截面β＝0°與β＝180°對應測點孔壁壓力峰值相等，且沖擊波載荷作用于孔壁的持續時間相等。

圖3 不同裝藥結構孔壁壓力峰值分布曲線

當0＜l≤0.3 m時，偏心不耦合裝藥結構中，炮孔軸向非裝藥段等同測距截面孔壁上β＝180°對應測點孔壁壓力峰值較同心不耦合裝藥結構大；當l＞0.3 m時，同心不耦合裝藥結構中相同測距截面孔壁壓力峰值較偏心不耦合裝藥結構大。偏心不耦合裝藥結構中，在裝藥耦合側圍巖的約束以及裝藥不耦合側空氣介質的導向作用下，爆炸沖擊波沿炮孔軸向傳播過程中徑向膨脹呈現出“逆偏心效應”，導致裝藥不耦合側孔壁壓力峰值增大。

不同裝藥結構下軸向非裝藥段孔壁壓力峰值擬合曲線如圖4所示，圖中擬合方程為：

圖4 不同裝藥結構孔壁壓力峰值擬合曲線

同心不耦合裝藥：

偏心不耦合裝藥：

偏心不耦合裝藥結構中，β＝180°延長線上孔壁壓力峰值擬合曲線衰減快。在裝藥耦合側孔壁約束作用及不耦合側空氣介質的導向作用下，近區孔壁壓力峰值增大，因此，偏心不耦合裝藥中β＝0°延長線上孔壁壓力峰值衰減規律擬合曲線相關性系數較小。

3 偏心裝藥結構徑向分布特征

不同β值下的軸向孔壁壓力峰值如圖5所示。文獻［11］指出，在偏心不耦合裝藥結構中，軸向非裝藥段孔壁壓力峰值隨β增大而減小，但本文數值仿真計算結果出現“逆偏心效應”。當l≤0.5 m時，任一截面β＝180°對應測點孔壁壓力峰值較β＝0°對應測點的孔壁壓力峰值大。

圖5 偏心不耦合裝藥結構軸向孔壁壓力峰值隨β分布特征

偏心不耦合裝藥結構中，當l≤0.5 m時，任一截面孔壁壓力峰值隨著β增大而增大。其中，當β≤15°時，炮孔軸向l≤0.3 m對應孔壁壓力峰值最小；當15°＜β＜90°時，炮孔軸向l≤0.2 m對應孔壁壓力峰值較小；當90°≤β＜120°時，炮孔軸向l≤0.1 m對應孔壁壓力峰值偏小。說明沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波在裝藥不耦合側空氣介質的導向作用下集中膨脹作用于裝藥不耦合側孔壁。

4 結 論

采用數值模擬方法，對偏心與同心不耦合裝藥爆破孔壁壓力峰值分布特征進行了對比研究，得到如下結論：

1）偏心不耦合裝藥結構中，測距l≤0.5 m時，炮孔軸向β＝180°對應測點孔壁壓力峰值較β＝0°對應測點孔壁壓力峰值大，且l＜0.3 m時，炮孔軸向β＝180°對應測點孔壁壓力峰值亦較同心不耦合裝藥結構中對應測點孔壁壓力峰值大；測距l＞0.5 m時，炮孔軸向任一截面任意孔壁測點壓力峰值近似乃至相等。同心不耦合裝藥結構中，相同截面上孔壁壓力峰值均相等。

2）偏心不耦合裝藥結構中，炮孔軸向沿β＝180°延長線對應測點孔壁壓力峰值隨測距衰減快；沿β＝0°延長線對應測點孔壁壓力峰值隨測距衰減次之；同心不耦合裝藥條件下衰減慢。

3）偏心不耦合裝藥結構中，在裝藥耦合側孔壁的約束以及裝藥不耦合側空氣介質的導向作用下，沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波傳播方向偏心效應，導致裝藥不耦合側孔壁壓力偏大。同心不耦合裝藥結構中，在爆炸近區，沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波傳播速度極快，周圍空氣介質對爆炸沖擊波傳播導向作用小，導致孔壁壓力峰值偏小。