非对称不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响.pdf

第３４卷 第３期 ２０１７年９月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３４ Ｎｏ． ３  Ｓｅｐ． ２０１７ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ -４８７Ｘ． ２０１７． ０３． ００５ 非对称不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响* 李新平 １ａ， 陈萍萍１ｂ， 罗 忆 １ａ， 黄俊红１ｂ， 焦海棠２， 方延洪３， 詹剑霞３ （１．武汉理工大学ａ．道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室； ｂ．土木工程与建筑学院， 武汉４３００７０；２．武汉地震工程研究院， 武汉４３００７１； ３．中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司， 宜昌４４３００２） 摘 要 为降低爆破开挖对保留区岩体的损伤， 采用数值模拟的方法， 研究不同装药结构对预裂爆破效果 的影响， 发现相比于中心单药卷和偏心双药卷， 偏心单药卷装药结构下的预裂缝成型效果最佳， 且其炮孔壁 上的爆炸荷载在保留区一侧较小， 在开挖区一侧较大， 能在降低爆破开挖对保留区岩体损伤的同时将爆炸能 量更多的作用于开挖区岩体。基于偏心单药卷装药结构， 在综合考虑预裂缝成型效果和保留区岩体损伤程 度的情况下， 通过数值模拟的方法研究了爆破参数对预裂爆破效果的影响， 结果表明 在不耦合系数为１． ６８， 炮孔间距为７０ ｃｍ的条件下， 预裂爆破效果最佳。 关键词 预裂爆破；装药结构；不耦合系数；炮孔间距；数值模拟 中图分类号 ＴＤ２３５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ -４８７Ｘ（２０１７）０３ -００２５ -０６ Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｈａｒｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ Ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔ ＬＩ Ｘｉｎ-ｐｉｎｇ１ａ，ＣＨＥＮ Ｐｉｎｇ-ｐｉｎｇ１ｂ，ＬＵＯ Ｙｉ１ａ，ＨＵＡＮＧ Ｊｕｎ-ｈｏｎｇ１ｂ，ＪＩＡＯ Ｈａｉ-ｔａｎｇ２， ＦＡＮＧ Ｙａｎ-ｈｏｎｇ３，ＺＨＡＮ Ｊｉａｎ-ｘｉａ３ （１． ａ． Ｈｕｂｅｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏａｄｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｂ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００７１，Ｃｈｉｎａ； ３． Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｆ Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｄａｍ Ｇｒｏｕｐ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｂｙ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｈａｒ- ｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ ｆｏｒｍｅｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｃｒａｃｋ，ａｎｄ ｃａｕｓｅｄ ｓｍａｌｌｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｗａｌｌ ａｔ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｅｄ ａｒｅａ ａｎｄ ｂｉｇｇｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｌｏａｄ ａｔ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｒｅａ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｎ ｒｅｓｅｒｖｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ａｎｄ ｔａｋｅｓ ｍｏｒｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｂｌａｓ- ｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｔｈ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ １． ６８ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ７０ ｃｍ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｎ ｒｅｓｅｒｖｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ；ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａ- ｔｉｏｎ 万方数据 收稿日期２０１７ -０４ -０４ 作者简介李新平（１９６３ -） ， 男， 湖北省武汉市， 教授、 博士， 从事爆 破控制技术与爆破效应的研究， （Ｅ-ｍａｉｌ）ｘｉｎｐｉｎｇｌｉ＠ ｗｈｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ。 通讯作者陈萍萍（１９９３ -） ， 女， 湖北省武汉市， 硕士， 从事爆破控制 技术与爆破效应的研究，（Ｅ-ｍａｉｌ）ｐｉｎｇｃｈｅｎ＠ ｗｈｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ。 基金项目湖北省自然科学基金重点项目（２０１５ＣＦＡ１３６） ； 国家自然 科学基金资助项目（５１２７４１５７） ； 国家自然科学基金青年 项目（５１３０９１８３、５１６０９１８３） 随着水利水电、 采矿、 交通运输工程的规模不断 增大， 工程上大量采用了爆破开挖技术。为了保证 施工质量、 降低事故发生的概率、 同时提高岩石的爆 破成型效果， 依据定向成缝爆破机理的预裂爆破技 术被广泛投入使用［ １］。预裂爆破在对岩石进行爆 破成缝时， 不可避免地会对保留区岩体产生动力损 伤［ ２，３］， 为了降低对保留区岩体的损伤， 在实际预裂 爆破工程中常常采用非对称不耦合装药结构， 即药 卷轴心和炮孔轴心不重合的装药结构， 又叫偏心不 耦合装药结构， 研究不对称装药结构对实际爆破工 程有重要意义［ ４-６］。 国内外学者在研究预裂爆破的非对称不耦合装 药结构发现， 采用非对称不耦合装药结构时， 耦合侧 的应力和应变峰值比非耦合侧高出８倍左右［ ７］， 保 留区岩体的裂纹长度远小于开挖区岩体裂纹的长 度［ ４］， 不耦合系数与线装药密度、 工程地质条件、 炮 孔孔径以及炮孔间距等参数相关［ ８］， 且随着不耦合 系数的增大， 在炮孔壁上的应力波的峰值压力随之 减小， 炮孔壁的损伤程度也会由于峰值压力的降低 而减小［ ５，７，９］。非对称不耦合装药结构在爆破过程 中会在炮孔壁上产生一定的偏心效应， 在进行预裂 爆破装药结构设计时， 应该使较大的爆炸冲击力作 用在开挖区岩体上， 避免其作用在保留区岩体， 降低 对保留区岩体的损伤［ １０］。 除装药结构对预裂爆破效果有重要影响以外， 爆破参数也会对预裂爆破效果产生很大影响， 它主 要包括不耦合系数、 炮孔间距等。预裂爆破的参数 设计， 应该根据工程目的、 施工要求、 爆破对象以及 周围的环境对爆破安全的具体要求等， 综合分析并 慎重选出比较合理的爆破计算参数。预裂爆破参数 设计的基本要求是形成一条贯通的预裂缝， 将保留 区岩体与开挖区岩体充分隔离， 达到保护保留区岩 体， 并使开挖区岩体达到所需破碎程度的目的。 本文就不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响 以及爆破参数的优化比选展开研究。 １ 预裂爆破及其数值模拟的理论研究 １． １ 预裂爆破的技术设计 预裂爆破是通过形成一条贯通的预裂缝来降低 岩石的超、 欠挖量并且保护保留区岩体的一种爆破 方法。在进行技术设计时， 需要先确定预裂爆破的 爆破参数。如果将由工程爆破经验总结出的爆破参 数或者计算公式用于指导现场爆破施工， 由于不同 的施工现场的工程地质条件会存在一定的差异， 因 而获得的爆破效果不会很理想， 同时施工过程中会 存在一定隐患， 所以需要选择正确的爆破参数用于 爆破施工。通常需要合理的选择和确定线装药密 度、 炮孔间距以及不耦合系数等［ １１］。在重要的预裂 爆破工程中， 一般还应结合爆破工程的具体条件， 安 排小范围的局部试爆， 然后依据试爆结果来选择最 优的爆破参数。 工程爆破参数选定以后， 要进行炮孔的布孔设 计和装药结构设计， 当使用深孔装药结构时需要考 虑装药结构的轴向不耦合系数。总之， 要尽量使药 卷均匀的分布在炮孔中， 避免装药量过于集中。 １． ２ 数值模拟参数的选取 （１）材料本构模型的选取 在爆炸冲击荷载作用下， 塑性随动强化本构模 型广泛被采用［ １２］， 这是由于炸药爆炸后， 强大的爆 炸冲击力作用在炮孔壁上， 此时岩体内部的应力变 化一般是呈塑性的。之所以岩体内部的应力变化不 呈弹脆性， 是因为在爆炸冲击力作用的瞬间岩体实 际的动态屈服强度会远远高于在试验中得到的静态 屈服强度。 基于国外学者考珀与西蒙兹的研究基础可以建 立起塑性随动强化模型［ １３］， 公式如下所示 σｙ＝１ ＋  ε J Ｃ １ ] ｐ （σ０＋ βＥｐεｐ ｅｆｆ） （１） 式中σｙ为动态极限的屈服应力；ε为应变率； σ０为初始的屈服应力；Ｃ、Ｐ为考珀与西蒙兹应变率 参数；β为调节参数，β ＝０时公式是塑性随动强化模 型，β ＝１时公式是等向强化模型。 （２） 流固耦合算法 数值模拟采用多物质流固耦合算法， 其基本原 理是在所建模型中炸药和空气单元采用ＡＬＥ算法， 岩石单元采用拉格朗日算法， 但是各单元之间的处 理方式采用流固耦合算法， 这样在定义烈性炸药材 料单元的时候， 就不会出现畸变， 与此同时还可模拟 出爆炸冲击荷载对炮孔壁周边岩石单元的加载过 程， 因此能在后处理器中直观的看出爆炸效果以及 ６２爆 破 ２０１７年９月 万方数据 不同位置岩石单元所受应力的变化过程， 得到的效 果也更接近于实际工程爆破效果。 （３） 岩石介质在爆炸过程中的破坏判据 岩石介质在爆炸过程中的破坏判据一般情况下 有四种， 分别是岩石受张拉作用破坏判据、 岩石受剪 切作用破坏判据、 岩石发生滚动破坏判据、 岩石沿结 构面发生滑动破坏判据等。因为岩石的抗拉强度要 远小于其抗压强度， 且预裂爆破过程中预裂炮孔主 要受拉应力作用发生破坏， 故本次数值模拟选用岩 石张拉破坏判据来判断数值模拟中岩石单元是否发 生破坏。具体表现为当数值模型中岩石单元受到的 拉应力超过岩石的抗拉强度或爆炸冲击力形成的压 应力同切向拉应力的矢量方向互相垂直时， 岩石单 元会出现拉裂破坏。 ２ 数值模型的建立 ２． １ 不同装药结构的数值模拟 为了研究不耦合装药结构对爆破效果的影响， 建立中心单药卷、 偏心单药卷和偏心双药卷三种不 耦合装药结构的数值模型来模拟自然条件下岩体受 到爆炸冲击荷载的变化过程。所建模型尺寸为 （Ｘ Ｙ）１４０ ｃｍ ２００ ｃｍ， 炮孔直径为４２ ｍｍ， 药卷 直径为２５ ｍｍ（ 工程中药卷轴向采用空气间隔装药， 其数值模拟时等效为药卷直径为１４ ｍｍ的连续装 药结构） ， 炮孔间距为７０ ｃｍ。三种不耦合装药结构 的示意图如图１所示。 图１ 三种不耦合装药结构的数值模型 Ｆｉｇ． １ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２． ２ 预裂爆破参数的优化比选 预裂爆破的成缝质量和预裂面的平整度是检验 预裂爆破效果的关键因素［ １４］。爆破参数会对预裂 爆破的效果产生很大影响， 故在对不同不耦合装药 结构进行数值模拟之后， 为了优化爆破参数， 本节以 偏心单药卷为基础研究不耦合系数和炮孔间距对预 裂爆破效果的影响。 （１） 不耦合系数的优化比选 数值模拟通过设置三组不同的装药不耦合系数 来研究不耦合系数对爆破效果的影响， 过程中所使 用的单位制、 算法、 岩石结构单元类型与炮孔直径等 均与上节相同， 炮孔间距为７０ ｃｍ， 药卷直径分别设 置为１８ ｍｍ、２５ ｍｍ与３２ ｍｍ， 通过计算可得其不耦 合系数分别为 当ｌ１＝ １８ ｍｍ时，ｋ１＝ ４２ １８ ＝ ２． ３３； 当 ｌ２＝２５ ｍｍ时，ｋ２＝ ４２ ２５ ＝１． ６８； 当ｌ３＝３２ ｍｍ时，ｋ３＝ ４２ ３２ ＝１． ３１。 （２） 炮孔间距的优化比选 数值模拟通过设置三组不同的炮孔间距来研究 炮孔间距对爆破效果的影响， 过程中所使用的单位 制、 算法、 岩石结构单元类型与炮孔直径等均与上节 相同，药卷直径取２５ ｍｍ，炮孔间距分别设置为 ５０ ｃｍ、７０ ｃｍ和９０ ｃｍ。 ２． ３ 炮孔壁荷载的数值模拟 各工况的数值模型沿炮孔中轴线都是左右对称 的， 对其进行分析的时候， 在模型炮孔的左侧沿炮孔 壁从炮孔顶端（保留区）到炮孔底端（开挖区）等间 距选取１０个岩石单元来分析爆破过程中炮孔壁荷 载的变化规律， 岩石单元的选取情况如下图２所示。 图２ 研究炮孔壁荷载变化规律时选取的 岩石单元示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｒｏｃｋ ｅｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｏｌｅ ｗａｌｌ ｌｏａｄｉｎｇ ３ 数值模拟结果及分析 ３． １ 不同装药结构的数值模拟结果及分析 通过对比中心单药卷、 偏心单药卷和偏心双药 卷三种不耦合装药结构数值模拟的成缝效果可以发 现， 当炮孔直径和药卷直径一定时， 改变装药结构， 爆炸产生的效果会有明显差别。中心单药卷装药结 构可以形成一条贯通的预裂缝， 但是它会严重的损 伤保留区岩体， 无法达到保护保留区岩体的目的； 偏 心双药卷装药结构与中心单药卷装药结构的成缝效 果相似， 虽然沿两炮孔连线形成一条贯通的预裂缝， 但对保留区岩体造成很大的损伤； 偏心单药卷装药 结构不但可以沿炮孔连线形成一条贯通的预裂缝， 而且对保留区岩体的损伤很小， 从而提高了炸药的 ７２第３４卷 第３期 李新平， 陈萍萍， 罗 忆， 等 非对称不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响 万方数据 利用率。三种不耦合装药结构的数值模拟成缝效果 如图３所示。 图３ 三种不耦合装药结构数值模拟的预裂缝成型图 Ｆｉｇ． ３ Ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ 为了研究不同装药结构对炮孔壁上爆炸荷载的 影响， 分别作出三种装药结构炮孔壁上所选岩石单 元的爆炸荷载峰值变化曲线（ 图４） 。从图中可以看 出， 中心单药卷装药结构炮孔壁上的爆炸荷载峰值 从炮孔顶部（保留区）沿炮孔壁到炮孔底部（开挖 区） 基本保持一致， 曲线整体比较平缓； 偏心双药卷 装药结构炮孔壁上的爆炸荷载峰值变化曲线从炮孔 顶部（ 保留区）沿炮孔壁到炮孔底部（开挖区）先减 小后增大， 曲线整体起伏较大， 但炮孔顶部（保留 区） 和炮孔底部（开挖区）的爆炸荷载峰值大小相 近； 偏心单药卷装药结构炮孔壁上的爆炸荷载峰值 从炮孔顶部（ 保留区） 沿炮孔壁逐渐增大， 在炮孔底 部（ 开挖区）达到最大， 曲线整体起伏较大， 开挖区 一侧的爆炸荷载远大于保留区。 图４ 不同装药结构炮孔壁上所选单元的 爆炸荷载峰值变化曲线 Ｆｉｇ． ４ Ｐｅａｋ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ 综合以上分析可以发现， 三种不耦合装药结构 中， 偏心单药卷装药结构不仅可以沿炮孔连线形成 一条贯通的预裂缝将保留区岩体和开挖区岩体隔 离， 而且其在开挖区一侧产生的爆炸荷载远大于保 留区， 既充分粉碎了开挖区岩体又达到了保护保留 区岩体的目的， 故三种不耦合装药结构中， 偏心单药 卷装药结构最佳。 ３． ２ 预裂爆破参数的优化比选结果及分析 通过上节中对三种不同不耦合装药结构进行的 数值模拟结果对比分析， 已经得出偏心单药卷为最 佳装药结构。本节以偏心单药卷装药结构为研究背 景， 对不同的不耦合系数与炮孔间距进行数值模拟， 研究爆破后的预裂缝成型效果以及爆炸荷载变化规 律， 从而达到优化预裂爆破参数以指导现场工程爆 破施工的目的。 ３． ２． １ 不耦合系数的优化比选结果及分析 设置三组具有不同不耦合系数的工况， 令它们 的炮孔直径、 炮孔间距（ａ ＝７０ ｃｍ） 以及其他参数均与 ３．１节中相同， 通过改变药卷直径设计了三种不耦合 系数ｋ１＝２．３３、ｋ２＝１． ６８、ｋ３＝１． ３１， 对比数值模拟结 果， 从而选出最优的不耦合系数。见图５、 图６。 图５ 三种不耦合系数下的数值模拟预裂缝成型图 Ｆｉｇ． ５ Ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ 通过对三种不耦合系数装药结构的数值模拟结 果进行对比， 可以得到以下结论 （１） 从图５三种不耦合系数下的预裂缝成型效 果可以看出， 不耦合系数ｋ ＝２． ３３时， 只在开挖区岩 体中形成一些裂缝， 岩石破碎程度很低， 炮孔连线上 没有形成贯通的预裂缝；ｋ ＝１． ３１时， 岩石的破碎程 度较高， 炮孔之间虽然形成了贯通的预裂缝， 但是它 对保留区岩体中也形成了很多裂缝， 对保留区岩体 的损伤较为严重；ｋ ＝１． ６８时， 在炮孔连线上形成了 贯通的预裂缝， 开挖区岩石破碎程度较高而保留区 岩体完整度良好， 对保留区岩体损伤很小， 其爆炸能 量主要作用于开挖区岩体， 达到了预裂爆破的根本 目的。 （２） 通过图６三种不耦合系数下炮孔壁上所选 ８２爆 破 ２０１７年９月 万方数据 单元的爆炸荷载峰值变化曲线可知， 三种不耦合系 数下炮孔壁上的爆炸荷载峰值都是从炮孔顶部（保 留区） 沿炮孔壁逐渐增大， 在炮孔底部（开挖区）达 到最大。三条曲线走向基本一致， 不耦合系数ｋ ＝ １． ６８的爆炸荷载峰值变化曲线始终位于ｋ ＝２． ３３和 ｋ ＝１． ３１的两条曲线之间。 图６ 三种不耦合系数下炮孔壁上所选单元的 爆炸荷载峰值变化曲线 Ｆｉｇ． ６ Ｐｅａｋ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ 综合以上分析可以得出， 三组不耦合系数的模拟 中，ｋ ＝１．６８时不仅可以沿炮孔连线形成一条贯通的 预裂缝将保留区岩体和开挖区岩体隔离， 而且其在充 分粉碎开挖区岩体的同时对保留区岩体损伤较小， 故 三组不耦合系数中，ｋ ＝１．６８时爆破效果最佳。 ３． ２． ２ 炮孔间距的优化比选结果及分析 设置三组具有不同炮孔间距的工况， 它们的炮 孔直径、 药卷直径（２５ ｍｍ）以及其他参数均与３． １ 节中相同， 设计三组炮孔间距ａ ＝５０ ｃｍ、ａ ＝７０ ｃｍ、 ａ ＝９０ ｃｍ， 通过对比数值模拟结果， 从而选出最优的 炮孔间距。见图７、 图８。 图７ 不同炮孔间距下的数值模拟预裂缝成型图 Ｆｉｇ． ７ Ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇｓ 通过对三种炮孔间距装药结构的数值模拟结果 进行对比研究和分析， 可以得到以下结论 （１） 从图７三种炮孔间距下的预裂缝成型图可 以看出， 在三种炮孔间距下， 炮孔之间均可形成贯通 的预裂缝，但是成缝效果有着很大的差别。ａ ＝ ５０ ｃｍ时， 炮孔两侧的预裂缝不在同一平面上， 无法 形成光滑平整的预裂面；ａ ＝ ９０ ｃｍ时， 所形成预裂 缝的宽度过窄， 这样在进行开挖区的爆破开挖时， 预 裂缝难以起到有效的隔振作用；ａ ＝７０ ｃｍ时的预裂 缝成型效果相比前两者更好， 预裂缝既在一个平面 上， 又有一定的宽度， 这样不仅可以降低保留区岩体 的损伤， 保证岩体整体的稳定性， 还能够保证预裂面 的光滑平整。 图８ 三种炮孔间距下炮孔壁上所选单元 的爆炸荷载峰值变化曲线 Ｆｉｇ． ８ Ｐｅａｋ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ （２） 从图８三种炮孔间距下炮孔壁上所选单元 的爆炸荷载峰值变化曲线中可以看出， 三种炮孔间 距下炮孔壁上的爆炸荷载峰值都是从炮孔顶部（保 留区） 往炮孔底部（开挖区）沿炮孔壁逐渐增大， 在 炮孔底部达到最大。三种炮孔间距下炮孔壁顶部 （ 保留区）的爆炸荷载相近， 三条曲线走向基本一 致，ａ ＝７０ ｃｍ的爆炸荷载峰值沿着泡孔壁增长中始 终位于ａ ＝５０ ｃｍ和ａ ＝９０ ｃｍ的两条曲线之间。 三组炮孔间距的数值模拟中，ａ ＝７０ ｃｍ时可以 沿炮孔连线形成一条在同一平面上、 且具有一定宽 度的、 贯通的预裂缝将保留区岩体和开挖区岩体隔 离， 而且其在充分粉碎开挖区岩体的同时对保留区 岩体损伤较小。故综合爆破效果和工程经济性来 看， 三组炮孔间距中，ａ ＝７０ ｃｍ效果最佳。 ４ 结论 利用动力有限元分析软件对不同装药结构和预 裂爆破参数下的预裂缝成型效果及炮孔壁上的爆炸 荷载进行研究， 得到的主要结论如下 （１） 通过对比中心单药卷、 偏心单药卷和偏心 ９２第３４卷 第３期 李新平， 陈萍萍， 罗 忆， 等 非对称不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响 万方数据 双药卷三种不耦合装药结构下数值模拟的预裂爆破 效果发现， 偏心单药卷装药结构在保留区岩体一侧 的炮孔壁上产生的爆炸荷载明显低于开挖区， 其对 保留区岩体造成的损伤最小， 且预裂缝成型效果最 佳。（ ２） 通过分别建立三组不同不耦合系数和炮孔 间距下的数值模型， 并对比其预裂爆破效果可以看 出， 当不耦合系数ｋ ＝１． ６８、 炮孔间距ａ ＝７０ ｃｍ时， 预裂缝成型效果最佳。当不耦合系数过大时， 难以 形成贯通的预裂缝， 当不耦合系数过小时， 会对保留 区岩体造成较大的损伤； 当炮孔间距过大时， 同样难 以形成贯通的预裂缝， 而当炮孔间距过小时， 不仅不 经济， 而且形成的预裂缝不在一个平面上， 对保留区 岩体造成的损伤也较大， 难以达到预裂爆破的目的。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 张志呈．定向断裂控制爆破［Ｍ］．重庆 重庆出版社， ２０００． ［２］ 严 鹏， 邹玉君， 卢文波， 等．基于爆破振动监测的岩 石边坡开挖损伤区预测［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２０１６，３５（３） ５３８-５４８． ［２］ ＹＡＮ Ｐｅｎｇ，ＺＯＵ Ｙｕ-ｊｕｎ，ＬＵ Ｗｅｎ-ｂｏ，ｅｔ ａｌ． Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｚｏｎｅ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓｌｏｐｅｓ ｕｎｄｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３５（３） ５３８-５４８． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 朱 强， 陈 明， 郑炳旭， 等．空气间隔装药预裂爆破 岩体损伤分布特征及控制技术［Ｊ］．岩石力学与工程 学报，２０１６，３５（Ｓ１） ２７５８-２７６５． ［３］ ＺＨＵ Ｑｉａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｂｉｎｇ-ｘｕ，ｅｔ ａｌ． Ｄｉｓｔｒｉ- ｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｄａｍａｇｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｉｒ-ｄｅｃｋ ｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３５（Ｓ１） ２７５８- ２７６５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［４］ 管少华， 蒲传金， 肖定军， 等．偏心不耦合装药爆破裂 纹扩展实验研究［Ｊ］．爆破，２０１５，３２（１） １６-２１． ［４］ ＧＵＡＮ Ｓｈａｏ-ｈｕａ，ＰＵ Ｃｈｕａｎ-ｊｉｎ，ＸＩＡＯ Ｄｉｎｇ-ｊｕｎ，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｅｃｏｕｐｌｅ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２０１５，３２（１） １６- ２１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［５］ 田文高， 蒲传金， 陈晓玲．偏心不耦合装药爆破参数理 论分析［Ｊ］．爆破，２００８，２５（２） １９-２０． ［５］ ＴＩＡＮ Ｗｅｎ-ｇａｏ，ＰＵ Ｃｈｕａｎ-ｊｉｎ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ-ｌｉｎｇ． Ｔｈｅｏｒｅｔｉ- ｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｅｃｏｕｐｌｅ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２００８，２５（２） １９-２０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［６］ 张建华．偏心不耦合装药爆炸应力场研究及应用［Ｊ］． 工业安全与环保，２００１，２７（８） ２０-２３． ［６］ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ-ｈｕａ． Ｓｔｒｅｓｓ-ｆｉｅｌｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｅｃｏｕｐｌｅ ｃｈａｒｇｅ［Ｊ］． Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉ- ｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２００１，２７（８） ２０-２３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［７］ 张志呈， 史瑾瑾， 蒲传金， 等．偏心不耦合装药对岩石 损伤的试验研究［Ｊ］．爆破，２００６，２３（４） ４-８． ［７］ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ-ｃｈｅｎｇ，ＳＨＩ Ｊｉｎｇ-ｊｉｎｇ，ＰＵ Ｃｈｕａｎ-ｊｉｎ，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｒｏｃｋ ｄａｍａｇｅ ｂｙ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｅｃｏｕ- ｐｌｅ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２００６，２３（４） ４-８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 罗 勇， 崔晓荣．工程爆破中装药不耦合系数的研究 ［Ｊ］．有色金属 矿山部分，２００８，６０（４） ３９-４３． ［８］ ＬＵＯ Ｙｏｎｇ，ＣＵＩ Ｘｉａｏ-ｒｏｎｇ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒ- ｇｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ（Ｍｉｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ） ，２００８，６０（４） ３９-４３．（ｉｎ Ｃｈｉ- ｎｅｓｅ） ［９］ 张建华， 王玉杰， 梁 锐．偏心不耦合装药爆炸应力场 的动光弹研究［Ｊ］．爆破，２００１，１８（１） ８-１２． ［９］ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ-ｈｕａ，ＷＡＮＧ Ｙｕ-ｊｉｅ，ＬＩＡＮＧ Ｒｕｉ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ-ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｅｃｏｕｐｌｅ ｃｈａｒｇｅ ｂｙ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｈｏ- ｔｏ-ｅｌａｓｔｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２００１，１８（１） ８-１２． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１０］ 袁光英， 王庆国．不耦合装药爆破效应数值分析［Ｊ］． 陕西理工学院学报 自然科学版，２０１３（５） ２８-３１． ［１０］ ＹＵＡＮ Ｇｕａｎｇ-ｙｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ-ｇｕｏ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉ- ｔｉｏｎ） ，２０１３（５） ２８-３１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１１］ ＨＵＡＮＧ Ｔ Ｈ，ＣＨＡＮＧ Ｃ Ｓ，ＹＡＮＧ Ｚ Ｙ． Ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ＆ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５，２８（３） １３５-１４４． ［１２］ 罗 忆， 李新平， 董 千， 等．动静力组合作用下深埋 隧洞开挖卸荷诱发围岩动力损伤诱因研究［Ｊ］．岩石 力学与工程学报，２０１５，３４（Ｓ１） 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