不同藥包結構巖石爆破效應的數值模擬研究

摘"要：為探究不同藥包結構爆破效應，采用數值模擬手段建立不同裝藥結構模型，分析爆破過程裂巖石隙擴展及其應力分布。結果表明：在兩種不同藥包結構爆破中，由于切縫藥包聚能效應，使得爆破應力對炮孔壁做功最大的是切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。根據巖石裂隙擴展圖，切縫藥包爆破先于普通藥包爆破形成貫通裂隙，普通藥包爆破巖石裂隙分布由炮孔中心向四周近似均勻延伸，而切縫藥包爆破巖石裂縫破壞最明顯的是切縫方向。在模型貫通裂隙形成前，切縫藥包爆破應力大于普通藥包爆破，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包爆破應力高于切縫藥包。

關鍵詞：爆破"""切縫藥包"""數值模擬"""裂隙擴展"""爆破應力

中圖分類號：TD235.12

Research"on"the"Numerical"Simulation"of"the"Rock"Blasting"Effect"of"Different"Charge"Structures

TIAN"Yingxiang1*""""JIAO"Anjun2""""LIN"Huaying3

1.Department"of"Public"Security，"Guizhou"Police"College，"Guiyang，"Guizhou"Province，"550005""China;"2."Bijie"Energy"Development"Technology"Center，"Bijie，"Guizhou"Province，"551799"China;"3."Guizhou"Institute"of"Mine"Safety"Science"Co.，"Ltd.，"Guiyang，"Guizhou"Province，"550025""China

Abstract"："In"order"to"explore"the"blasting"effect"of"different"charge"structures，"different"charge"structure"models"are"established"by"numerical"simulation，"and"the"crack"propagation"and"stress"distribution"of"fractured"rock"during"blasting"are"analyzed."The"results"show"that"in"the"blasting"of"two"different"cartridge"structures，"due"to"the"energy-gathering"effect"of"the"slotted"cartridge，""the"largest"force"of"blasting"stress"on"the"blast"hole"wall"is"at"the"slotted"direction"of"slotted"cartridge"blasting，"followed"by"ordinary"blasting，"and"the"smallest"force"is"at"the"non-slotted"direction"of"slotted"cartridge"blasting."According"to"the"rock"fracture"propagation"diagram，"slotted"cartridge"blasting"is"prior"to"ordinary"cartridge"blasting，"forming"a"penetrating"fracture，"and"the"rock"fracture"distribution"in"ordinary"cartridge"blasting"extends"approximately"evenly"from"the"center"of"the"blast"hole"to"surrounding"areas，"and"the"most"obvious"damage"of"the"rock"fracture"in"slotted"cartridge"blasting"is"at"the"slotted"direction."Before"the"formation"of"the"penetrating"fracture"of"the"model，"the"blasting"stress"of"the"slotted"cartridge"is"greater"than"that"of"the"ordinary"cartridge."After"the"fracture"is"penetrated，"an"effective"pressure"relief"channel"is"formed，"and"the"blasting"stress"of"the"ordinary"cartridge"is"higher"than"that"of"the"slotted"cartridge.

Key"Words："Blasting";"Slotted"charge";"Numerical"simulation";"Fracture"propagation;"Blasting"stress

爆破技術具有高效快速等優點，其廣泛應用在建筑拆除、礦山開采、隧道交通等行業[1-3]。但當前部分工程應用中須實現巖石定向劈裂，而切縫藥包爆破的聚能作用有利于其實現定向精準爆破。為此，對比研究不同藥包結構爆破后巖體裂隙擴展效果，對促進巖石爆破技術高質量發展是極有必要的。

當前，國內外學者針對切縫爆破進行研究，其中程兵等人[4]采用實驗討論了側向環形切縫的聚能效果；段寶福等人[5]采用數值模擬手段分析爆破應力和裂隙，得出合理參數；薛永利等人[6]提出雙向多點聚能爆破方法，實現爆破界面的光滑平整；周陽威等人[7]采用數值模擬方法分析環形切縫聚能效果；郭東明等人[8]分析不同切縫參數對爆破影響，并對其優化，提高爆破效果；王雁冰等人[9]通過理論分析和數值模擬，分析常規與切縫爆破巖石損傷、能量傳播、振動速度等參數；吳波等人[10]采用LS-DYNA軟件分析雙向聚能爆破效果。

眾學者針對切縫爆破進行大量研究，為更好地分析切縫與普通裝藥結構對巖石爆破效應的影響，擬采用數值模擬方法，構建不同藥包結構，分析兩種藥包結構爆破后巖石裂隙擴展及應力變化，擬為以后切縫聚能爆破研究提供基礎。

1"巖石爆破致裂機理

爆破過程產生應力波和爆生氣體，兩者對巖體進行破壞，巖體破壞形成3個區，即壓碎區、裂隙區和振動區[11-12]。炮孔周圍很小范圍內，受到爆炸能量作用巖石被擠壓形成細小巖粒，該區域稱為壓碎區；隨著爆破應力波和爆生氣體繼續向深處傳播，已無法壓碎巖體，但會使巖體產生裂隙，該區域成為裂隙區；直到當巖石的抗拉壓能力大于爆破應力波形成的應力，巖體裂隙停止發育，該區域稱為振動區。

根據巖石破壞機理、Von-Mises準則和爆破荷載公式，推導徑向不耦合柱狀炸藥爆破后產生的壓碎區RC和裂隙區Rt計算公式為[13]：

式（1）至式（3）中：α為衰減指數，沖擊波和應力波加載區分別為α1=2+b、α2=2-b；P1為施加于孔壁的初始壓力；b為側向應力系數，b=μd/（1-μd）；μd為巖石動態泊松比；rb為炮半徑；σcd和σtd分別為巖石的動態壓縮強度和動態拉伸強度。

在巖石爆破中，爆炸應力波先于爆炸產生的爆生氣體，因此應力波先作用于孔壁，形成初始裂隙；后續爆生氣體持續作用于裂隙，使裂隙進一步擴展。此時裂隙端部的應力強度因子KI為[14]：

式（4）中：a0為初始裂隙長度；F為修正系數，在1.5rb以外區域其值趨近于1.0；P為準靜態作用下炮孔壁壓力。

根據巖石斷裂力學，引入巖體斷裂韌性參數KIC。在爆破的準靜態壓力作用下，若要使初始裂隙繼續擴展，則需KI≥KIC，即孔壁壓力需滿足式（5）：

隨著裂隙不斷擴展，孔內壓力逐步降低，當孔壁壓力滿足式（6）時，裂隙則停止擴展。

式（6）中，a為當前爆生裂隙長度。

對比普通藥包結構與切縫藥包結構的區別，其主要在于切縫藥包結構有一個“切縫的套管（切縫管）”，切縫管可根據需求在其管體上開不同類型的縫，結構見圖1（a）和1（c）。切縫藥包爆破時，非切縫方向，炸藥爆炸能量先作用在管體上被削弱后通過空氣傳遞，然后才作用在孔壁上；而切縫方向，炸藥爆炸產生的沖擊波和高壓氣體是經切縫聚流后通過空氣傳遞直接作用在孔壁上。因此在切縫方向孔壁受力最大，其次為普通藥包結構，最小的為切縫藥包結構中非切縫方向對應的孔壁；這是由于切縫藥包的聚能作用使得爆破時切縫方向孔壁壓力增大，所以非切縫方向孔壁壓力則會降低，見圖1（b）和1（d）。再結合式（1）、式（2）和式（4）進行分析可知，在以上兩種藥包爆破中，切縫藥包爆破在切縫方向產生的巖石粉碎區半徑和裂隙擴展長度應為最大，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

2"不同藥包結構的爆破數值模擬

2.1"模型構建

建立二維模型，模型為130"cm×130"cm正方形，模型中心3"cm圓形炮孔，見圖2所示。

建立切縫與普通藥包結構模型，兩模型大小各尺寸不變，切縫藥包結構模型在套管位置分別切開兩條縫，兩縫夾角180°，藥包結構示意圖見圖3所示。

2.2""材料本構模型

2.2.1"""巖石材料

目前學者常用JHC模型、PK模型、彈塑性流體模型等描述巖石特性[15]，由于在爆破過程中巖體受到大應變、高應變率和高壓力的狀態，本文采用JHC模型來描述巖石。

JHC模型的屈服面方程為：

式（7）中：σ*為特征化等效應力；A、B、C、D、N材料強度參數；P*為特征化壓力；ε＇*為特征應變率。

損傷方程為：

式（8）、式（9）中：ΔεP為單個循環內等效塑性應變；ΔμP為單個循環內等效塑性體積應變；T*為材料能夠承受的最大特征水平拉力；D1和D2為損傷常量；εf，min為斷裂最小塑性應變。

2.2.2"炸藥材料

炸藥材料采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN定義，同時狀態方程采用JWL表述爆轟壓力，炸藥材料及狀態方程參數如表1所示。

式（10）中：Pa為爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω為材料常數；Ve為相對體積；E0為初始比內能。

2.2.3"""空氣材料

此次模擬中，空氣材料使用*"MAT_NULL模型描述，空氣壓力采用狀態方程*"EOS_LINER_POLYNOMIAL線性多項式表示，模型空氣材料參數見表2。

3"數值模擬結果分析

3.1"裂隙擴展分析

分別繪制切縫藥包和普通藥包爆破在77.986"3"μs、155.972"6"μs、233.958"9"μs、311.945"2"μs和389.931"5"μs時巖石的裂隙擴展圖，裂隙擴展見圖4。根據圖4知，77.986"3"μs時，普通藥包爆破裂隙擴展是向模型四周延伸，而切縫藥包爆破的裂隙擴展主要在切縫方向，且其非切縫方向的裂隙擴展緩慢，裂隙擴展長度均比普通藥包爆破的短。此外，切縫藥包爆破巖石裂隙在155.972"6"μs時就形成貫穿裂隙，而普通藥包爆破在模型計算最后，裂隙才擴展至模型一半。從裂隙分布的整體形狀來看，普通藥包爆破巖石破壞程度在各方向差異不大，而切縫藥包爆破巖石破壞主要集中在切縫方向，非切縫方向破壞程度較低。

3.2"爆破應力分析

為更好地分析爆破效應，繪制不同時刻兩種裝藥結構的爆破應力云圖，其中圖5（a）至5（e）為普通藥包爆破，圖5（f）至5（j）為切縫藥包爆破。

分析整個爆破過程，模型峰值應力不斷降低，這是由于爆破應力波和高壓氣體在傳遞過程中不斷損失能量。對比圖5（a）和5（f）可知，普通藥包爆破炮孔壓力低于切縫藥包的，切縫藥包爆破在77.986"3"μs的峰值應力為普通藥包峰值應力的1.27倍；切縫藥包爆破應力集中在切縫方向，而普通藥包的近似均勻分布在炮孔周圍。根據圖5（b）和5（g）可知，當爆破經歷155.972"6"μs后切縫藥包爆破壓力降低，低于普通藥包爆破，此時普通藥包爆破應力為切縫藥包的2.21倍；這是由于該階段切縫藥包爆破已經形成貫穿裂隙，爆破壓力通過貫穿裂隙卸壓。

4"結論

（1）通過理論分析，由于切縫藥包爆破的聚能作用，使其爆破后切縫方向孔壁壓力增加，非切縫方向孔壁壓力降低。所以導致在以上兩種不同藥包爆破中，孔壁巖石受力最大的為切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

（2）根據巖體裂隙擴展圖，切縫藥包與普通藥包對比，其爆破后巖體會先形成貫通裂隙，且爆破能量更多用于破壞切縫方向的巖體。

（3）在貫通裂隙形成前，普通藥包爆破應力低于切縫藥包結構，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包結構爆破應力整體高于切縫藥包結構。

參考文獻

• 徐世祥.隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機理研究[D]."南寧：廣西大學，2023."
• 趙勇.爆破荷載下充填體動態響應及損傷控制技術[D]."北京：北京科技大學，2023."
• 譚成馳.南寧機場隧道爆破振動控制研究與有害效應分析[D].南寧："廣西大學，2023."
• 程兵，汪泉，汪海波，等.側向環形切縫裝藥爆破效應及其在硬巖掏槽中的應用[J].含能材料，2023，"31（12）：1245-1254.
• 段寶福，柴明星，魏玉冠，等.切縫藥包參數對切縫效果的影響研究[J/OL].煤炭技術：1-7[2023-10-26].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1393.TD.20231025.1038.002.html.
• 薛永利，王靜，顧云，等.混凝土雙向多點聚能定向劈裂成縫實驗研究"[J].工程爆破，2023，29（5）：113-119.
• 周陽威，蔣志明，鄧琛，等.環向切縫管聚能射流的數值模擬"[J].工程爆破，2023，29（2）：1-9.
• 郭東明，朱若凡，張偉，等.聚能管爆破參數對周邊爆破效果的影響[J/OL].爆破：1-10[2023-12-27]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1164.TJ.20230403.1419.002.html."
• 王雁冰，李書萱，耿延杰，等.切縫藥包爆破定向斷裂機理及圍巖損傷特性分析[J].工程科學學報，2023，45（4）：521-532.
• 吳波，韋漢，徐世祥，等.不同裝藥結構的雙向聚能藥包爆破數值研究"[J].工程爆破，2021，27（1）：14-21.
• 汪旭光.爆破設計與施工[M].北京：冶金工業出版社，2015：229-243.
• 費鴻祿，洪陳超.應力波和爆生氣體共同作用下裂隙區范圍研究[J].爆破，2017，34（1）：33-36，107.
• 戴俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術大學學報，2001（2）：144-147.
• 余靂偉."定向斷裂控制爆破技術在中泰礦業巷道掘進中的應用[D].焦作：河南理工大學，2022.
• 方秦，孔祥振，吳昊，等.巖石Holmquist-Johnson-Cook模型參數的確定方法［J］.工程力學，2014，31（3）：197-204.