數值模擬在“工程爆破”課程教學中的應用分析

程兵，汪泉，汪海波，李洪偉，王夢想

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 前言

工程爆破技術是指利用炸藥爆炸釋放的能量對巖石等材料實施破壞以實現特定工程目的，憑借其工藝簡單、適應性強以及投入低的優勢，被廣泛應用于各類礦山基建工程?？紤]到工程爆破技術在工程中的普遍應用，在許多高校的彈爆工程、采礦工程以及土木工程等應用型工科專業，工程爆破作為一門專業核心課程被廣泛開設。工程爆破的課程內容不僅包含炸藥爆破基本原理，還包括露天爆破、地下爆破以及拆除爆破等施工工藝，作為一門理論與實踐緊密聯系的課程，其教學過程存在著較大的難度和挑戰[1]。在以往的工程爆破教學過程中，主要是利用板書和多媒體課件展示一些文字、公式和圖片講解爆破機理和爆破工藝，缺少爆破過程與爆破細節的展示，教學過程枯燥乏味，不利于學生對爆破機理和爆破工藝的理解和掌握，影響學生的學習積極性和教學效果[2]。如何在教學過程中充分激發學生的學習興趣與學習熱情，并使學生能夠深刻理解和牢固掌握專業知識，有效達到課程的教學目的和培養目標，是工程爆破課程教學中亟待解決的問題。

近年來，數值模擬在工程領域內得到了很大發展，尤其是在解決工程爆破相關問題方面，其優勢在于能夠實現爆破歷程的動態可視[3]。不過，目前數值模擬主要是用于爆破機理和爆破工藝的探索與研發，在工程爆破課程教學中應用很少。為了更加有效地達到工程爆破課程的教學目的和培養目標，本研究提出將數值模擬技術應用到工程爆破課程教學中。首先，選取合適的爆破案例開展數值模擬，充分展示其建模過程和模擬結果；然后，將模擬結果結合到對應章節的課程教學中，分析數值模擬的教學應用效果，闡明數值模擬技術如何在工程爆破課程教學中發揮作用。

2 巖巷掘進爆破數值模擬

本研究選取的案例是巖巷掘進爆破，在此案例中數值模擬在LS-DYNA程序中進行，該程序的基本情況和發展歷程等在現有文獻中已經詳細論述[4]。

2.1 構建數值模型

由于炮孔深度遠超過其半徑，在不顧及炮孔兩端特殊破巖效果的前提下，可以采用二維平面模型來降低數值模擬的求解量。如圖1 所示，采用LS-DYNA構建二維巖巷掘進爆破數值模型，炸藥和空氣作為流體被綁定在一起進行建模，巖體作為被爆結構單獨建模，然后移動巖體模型使得其在空間上與空氣重合。巖體模型的幾何尺寸為5.2m×4.8m，巖巷設計采用直壁拱形斷面，掘進斷面的高度和寬度分別為3.2m 和3.6m。該巖巷爆破模型共包含有2個大直徑中空孔，6 個掏槽孔，10 個一圈崩落孔，12 個二圈崩落孔，31 個周邊孔。中空孔的直徑為110mm，其他所有炮孔的直徑為42mm，各炮孔中均裝填有水膠炸藥。不同類型炮孔由內而外按照“掏槽孔→一圈崩落孔→二圈崩落孔→周邊孔”的順序依次起爆，炮孔起爆順序使用*INITIATION_DETONATION 關鍵字進行設置。

圖1 巖巷掘進爆破數值模型

在本次模擬中，炸藥和空氣作為流體介質使用ALE 多物質網格，巖體作為固體介質采用Lagrange 網格，兩種類型介質之間的力學信息傳遞通過定義流固耦合算法來實現[5]。此外，巖體模型的周圍需要施加無反射邊界條件，用于解除模型邊界應力波反射對數值模擬結果精度的不利影響。

2.2 材料模型及參數

炸藥使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 高能燃燒材料模型，炸藥爆炸過程中的壓力、比容以及內能之間則通過JWL 狀態方程進行關聯[6]。空氣使用*MAT_NULL 空白材料模型，其壓力特性還需要利用線性多項式演變而來的狀態方程進行表征。巖體使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 隨動硬化材料模型，該模型囊括了應變率增大對材料強度的影響，因此能夠描述巖石等脆性材料在爆炸沖擊載荷作用下的動態響應問題[7]。而且，為了獲取巖巷掘進爆破過程中的巖體損傷破壞情況，還要在求解文件中加入巖體單元失效關鍵字*MAT_ADD_EROSION，將巖體的力學強度參數設置為巖體單元失效與否的依據。三種材料對應的具體參數如表1～表3所示。

表1 炸藥材料與狀態方程參數

表2 空氣材料與狀態方程參數

表3 巖體材料以及應變率參數

2.3 模擬結果與分析

將包含上述數值模型和材料模型的關鍵字文件提交至LS-DYNA 的求解器進行求解，按照由內而外的順序依次引爆掏槽孔、一圈崩落孔、二圈崩落孔和周邊孔，然后利用后處理程序LSPREPOST，輸出不同類型炮孔爆破以后巖巷斷面內的巖體破壞歷程，如圖2～圖5所示。

圖2 掏槽孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖3 一圈崩落孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖4 二圈崩落孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖5 周邊孔爆破以后的巖體破壞歷程

由圖可知，當掏槽孔中的炸藥爆炸以后，借助中空孔提供的自由面，掏槽孔周圍巖體在爆炸載荷作用下迅速發生損傷破壞，為后續崩落孔爆破創造出新的自由面，可以減小后續崩落孔爆破過程中的圍巖夾制作用。緊接著，按照設計爆破順序依次引爆一圈崩落孔和二圈崩落孔，對掘進斷面內的大部分巖石進行爆破，借助掏槽孔先行爆破開創的新自由面，崩落孔中的炸藥爆炸以后可以輕易使得崩落孔周圍的巖體發生破壞。

當斷面面積較大而槽腔體積較小時，一圈崩落孔的主要作用是擴大槽腔范圍，所以這時通常又可以將一圈崩落孔稱為擴大孔。

引爆周邊孔對斷面內最后一層巖體進行爆破，待到周邊孔爆破結束以后斷面內的全部巖石均得到了有效的破壞，而且沿著周邊孔爆破破壞區域外側邊緣形成了比較明顯的開挖輪廓，表明周邊孔的爆破破巖效果決定了巖巷斷面的成型質量。通過上述對數值模擬結果的分析可以看出，采用數值模擬能夠十分直觀地展現巖巷掘進全斷面爆破的破巖機理和歷程。

3 教學應用效果分析

將上述數值模擬結果應用到工程爆破的“井巷掘進爆破”章節的課程教學中，結合模擬結果講解相關的課程內容，內容包括井巷掘進爆破的步驟，即掏槽爆破、崩落爆破和周邊爆破；巖巷掘進爆破的炮孔分類，即掏槽孔、崩落孔和周邊孔；井巷掘進爆破的施工難點以及爆破方案設計理念，即掏槽爆破作為難點一決定著井巷鉆爆掘進速度，周邊爆破作為難點二控制著著井巷斷面輪廓成型質量，基于兩大施工難點，在實際工程中形成了“抓兩頭、帶中間”的爆破方案設計理念。

課后學生普遍反映，通過觀看巖巷掘進爆破模擬的結果圖片或視頻，使得原先枯燥乏味的課程知識變得生動形象，可以很好地幫助其深入理解和扎實掌握上述井巷掘進爆破方面的有關專業知識。同時，通過展示數值模擬結果，提高了學生們對井巷掘進爆破和巖石爆破機理等方面的學習興趣，而且學生在此過程中感受到了數值模擬技術在工程爆破設計與科研方面的實用性和重要性，激發了學生對巖石爆破數值模擬程序的學習熱潮。

4 結束語

本文以巖巷掘進爆破為例，展現了巖巷掘進爆破的建模過程和模擬結果，并將巖巷掘進爆破的數值模擬結果融入到實際課程教學中。結果表明：數值模擬能夠十分直觀地展現巖巷掘進爆破的破巖歷程；在工程爆破課程教學中采用數值模擬技術，不僅有助于學生深刻理解和牢固掌握工程爆破課程的專業知識，并且還可以提升學生對工程爆破課程的學習興趣，激發學生對巖石爆破數值模擬程序的學習熱情。