不耦合裝藥下炮孔—空孔距離對預裂爆破效果的影響探究

章彬彬,程金明,占汪妹,趙東波,廖述能,鄭中華

(核工業井巷建設集團有限公司,浙江 湖州 313000)

預裂爆破是一種進行石方開挖時,在主爆區爆破之前沿著設計輪廓線先爆出一條貫穿裂縫的爆破方法。其產生的振動波能夠有效控制其對保留巖體的損傷,使之獲得較平整的開挖輪廓。預裂爆破不僅在垂直、傾斜開挖壁面上得到廣泛應用,而且在規則的平面以及水平建基面等也成功運用,同時也適用于穩定性差而又要求控制開挖輪廓的軟弱巖層[1-2]。

隨著爆破技術的發展,多數專家、學者重點圍繞著“空孔效應”[3-4](炸藥在介質中爆炸時,爆炸應力波在介質中傳播遇到空孔時在其周圍產生應力集中現象)和數值模擬等研究方向。由此出現了“一種新型輪廓控制技術”方法[5],該方法采用了試驗與模擬結合并推導邊坡預裂爆破參數[6],研究了在空孔的迎爆側與背爆側應力波反射與疊加情況[7],用ANSYS/LS-DYNA研究預裂爆破理想不耦合系數[8],及裂縫擴展速度、爆生氣體擴散速度與不耦合系數的關系等[9]。在不耦合裝藥(D/d=2)條件下,設置不同炮孔—空孔的間距,基于混凝土模型爆破試驗、ALE和Lagraner算法,構建了預裂爆破數值模型并采用LS-DYNA軟件對模型進行解算,研究表明合理增加空孔有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區或保護區破壞作用,可為類似開挖輪廓面工程提供參考和借鑒。

1 試驗準備

材料模型為長700 mm,寬400 mm,高250 mm的長方體混凝土模型,其中水泥∶細砂∶水=1∶2.8∶0.7。其力學參數如表1所示。

表1 模型力學參數

炮孔直徑D=12 mm,裝藥直徑d=6 mm(D/d=2),空孔直徑為12 mm,炮孔深度120 mm,單發雷管起爆,炮泥填塞。

2 工況試驗設計與結果

2.1 試驗設計

根據文獻[6-9]研究,爆破裂隙區有空孔時,可以有效控制裂紋的擴展方向。在上述理論與實踐基礎上,本文擬設置3組(Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組)工況試驗,各試驗組工況設置如表2所示,不耦合裝藥如圖1所示。

圖1 不耦合裝藥實驗模型Fig.1 Experimental model of uncoupled charge

表2 不同炮孔-空孔距離的工況試驗組

2.2 試驗結果

由l=80 mm時爆破裂紋擴展(見圖2)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面不規整,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、4、5、6共5條裂紋,對主爆區或保護區破壞嚴重(見圖2a)。有空孔爆破時爆破輪廓面不規整,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在空孔及兩炮孔自由面處反射疊加,在兩炮與空孔軸線方向未形成貫通裂紋,在兩炮與空孔軸線外形成1、2、3、4、5、6、7共7條裂紋,對主爆區或保護區破壞也較為嚴重(見圖2b)。

圖2 l=80 mm時爆破裂紋擴展Fig.2 Blasting crack propagation when l =80 mm

由l=100 mm時爆破裂紋擴展(見圖3)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面不規整,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、3、4、7共5條裂紋,對主爆區或保護區破壞較為嚴重(見圖3a)。有空孔爆破時爆破輪廓面近似平面,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在空孔及兩炮孔自由面處反射疊加,在兩炮與空孔軸線方向形成一條貫通裂紋,在兩炮與空孔軸線外形成2、7共2條裂紋,對主爆區或保護區破壞較小(見圖3b)。相比于l=80 mm工況,對主爆區或保護區破壞較小,且爆破輪廓面規整。相比于無空孔情況,空孔的存在有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區或保護區破壞作用。

圖3 l=100 mm時的爆破裂紋擴展Fig.3 Blasting crack propagation when l =100 mm

由l=120 mm 時爆破裂紋擴展(見圖4)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面為曲面,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、4共3條裂紋,對主爆區或保護區破壞嚴重(見圖4a)。有空孔爆破時爆破輪廓面為狹小波濤狀裂紋,兩裝藥炮孔之間的爆破應力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成3、6、7共3條狹小裂紋,未能形成一條貫通輪廓面(見圖4b),相比于l=100 mm工況,本組未達到預裂爆破效果。

圖4 l=120 mm時的爆破裂紋擴展Fig.4 Blasting crack propagation when l =120 mm

根據3組(Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組)工況試驗情況,合適的炮孔-空孔間距,通過給裝藥孔爆炸應力波增加反射自由面的途徑,達到在炮孔軸線方向形成一條貫通輪廓面且對主爆區或保護區受爆破破壞的程度較小的目的。

3 數值模擬與參數比對

3.1 數值模擬模型

為研究巖石介質在爆炸過程中的破壞與斷裂,選用ALE算法、Lagraner算法[10-11],單位采用g-cm-μs進行建模,三維模型尺寸為70 cm×40 cm×25 cm,炮孔直徑為12 mm,計算時間為200 μs,巖石、空氣、炸藥單元類型為SOLD164單元。

1)巖石材料選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本構模型,巖石參數如表3所示。

表3 巖石參數

2)空氣材料選用*MAT_NULL本構模型,同時其相應的狀態方程選用*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL,空氣材料狀態方程為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E2

(1)

式中:P為爆轟壓力;E為單位體積內能;μ為當前流體密度與初始流體密度的比值。假設空氣為理想氣體時,空氣參數如表4所示。

表4 空氣參數

3)炸藥材料選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN本構模型。

(2)

式中:P為爆轟產物內部壓力,V為爆轟產物體積,E0為初始比內能。炸藥參數如表5所示。

表5 炸藥參數

3.2 裂紋擴展分析

通過數值模擬得到模型的裂紋擴展和空孔周邊的應力分布結果。有空孔條件下,間距l為80、100、120 mm時不耦合爆破的裂紋擴展圖[12-13],如圖5～圖7所示。在不耦合裝藥系數為2時,不同間距下爆炸應力波分別在22、28、34 μs時到達空孔處。

圖5 l=80 mm時有空孔裂紋擴展(D/d=2)Fig.5 Crack propagation of empty hole at l =80 mm (D/d =2)

圖6 l=100 mm時有空孔裂紋擴展(D/d=2)Fig.6 Crack propagation of empty hole at l =100 mm (D/d =2)

圖7 l=120 mm時有空孔裂紋擴展(D/d =2)Fig.7 Crack propagation of empty hole at l =120 mm (D/d =2)

間距為80 mm時,炮孔周圍形成明顯的裂紋并向兩邊空孔進行擴展,與空孔相連。中間空孔在2個應力波的作用下破壞明顯;間距為100 mm時,隨著應力波的傳播,裂紋先在炮孔周圍進行擴展,然后向空孔進行延伸直至與空孔相連,同時中間空孔受到左右2個爆炸應力波的作用破壞較為明顯;間距為120 mm時,隨著應力波的傳播,先在炮孔周圍形成裂紋,然后向空孔處延伸,由于間距較大,裂紋無法與空孔相連,但中間空孔在雙重應力作用下有裂紋擴展。

因此,空孔對裂紋的擴展具有一定的引導作用,隨著l的增大,爆炸應力波形成的破壞區域在縮小,對空孔的作用在不斷的減小,但裂紋總是向空孔處進行擴展,中間空孔對爆炸應力波具有一定的偏轉作用,從而有利于提高空孔對裂紋的控制作用。

3.3 應力結果分析

為分析不耦合炮孔爆破時與空孔之間的應力傳播情況,同時研究不同間距下對空孔作用的應力大小。因此,在左側水平中心線空孔處分別選取4個測點,測點的坐標和編號分別為:A(80,280,0)、B(100,280,0)、C(140,280,0)、D(160,280,0),其中B點和C點分別位于炮孔的作用兩側,距離空孔中心20 mm,A點和D點位于炮孔左側距空孔中心40 mm,如圖8所示。

圖8 應力測點布置Fig.8 Layout of stress measurement points

由不同炮孔-空孔距離下各測點應力-時間(見圖9)及峰值應力(見表6)可知,隨著l增大時,各測點的應力峰值逐漸降低,在“空孔效應”的作用下,測點C的應力峰值均高于測點D、測點B。在l分別為80、100、120 mm的情況下,測點C的峰值應力比測點D依次高0.79、0.24、0.05 MPa,測點C的峰值應力比測點B依次高4.90、3.76、2.06 MPa,說明爆破應力波越大時在空孔處的反射拉伸作用越明顯。即到達空孔處的爆炸應力波越大,“空孔效應”越明顯,反之“空孔效應”越微弱。

圖9 測點應力-時間Fig.9 Time-history curve of stress at measurement points

表6 部分坐標點應力波峰峰值

4 結論

1)中間空孔能改善預裂爆破的爆破效果,選擇合適的炮孔—空孔距離有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區或保護區過度破壞。

2)預裂爆破時,中間空孔對裂紋的擴展具有一定的引導作用,隨著炮孔—空孔距離的增大,雖爆炸應力波形成的破壞區域在縮小,但裂紋仍是向空孔處進行擴展。中間空孔對爆炸應力波具有一定的偏轉作用,選擇合適的炮孔—空孔距離有利于提高這種偏轉作用的利用率。

3)在空孔處的“空孔效應”作用受到達空孔的爆破應力波大小限制,爆破應力波越大,在空孔處的“空孔效應”越明顯,反之則在空孔處的“空孔效應”越微弱。選擇合適的炮孔—空孔距離使空孔處的疊加應力波剛好滿足形成良好爆破輪廓面的要求范圍,有利于預裂爆破效果的改善。