双孔微差及长柱药包爆破振动数值模拟研究.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. 008 双孔微差及长柱药包爆破振动数值模拟研究* 陈士海, 吴 建 ( 华侨大学土木工程学院, 厦门361021) 摘 要 为进一步讨论双孔微差爆破及柱状药包爆破振动新特性, 通过在空腔内壁施加等效爆源荷载方 法, 建立药包爆破振动LS-dyna数值模拟模型, 分别对双孔微差爆破和长柱状药包爆破振动进行分析。通过 控制加载时间模拟不同延时间隔下的微差爆破过程, 同时建立不同长度的加载组元来表示柱状装药的药包 长度, 进而研究药包长度对爆破振动的影响。数值模拟结果与相应的理论计算结果具有较好的一致性。结 果表明 微差爆破质点峰值速度与距离整体呈现负相关, 但在衰减过程中出现局部的增大现象, 增大的幅值 和区间与延时间隔有关, 间隔时间越长, 局部放大效应距离爆源越远, 放大幅值越小。对长柱药包的模拟结 果则表明 对于介质中某一点, 当药包长度达到特定值后, 质点峰值速度将不随着药包长度的增长而增大, 这 表明传统的通过药量来衡量爆破振动幅值的计算方法具有一定局限性。这些成果对爆破振动预测及爆破施 工设计具有一定指导意义。 关键词 爆破振动;微差爆破;柱状药包;数值模拟 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2017)03 -0046 -07 Numerical Simulation Study on Vibration of Double-hole Millisecond Blasting and Long Cylindrical Charge Blasting CHEN Shi-hai,WU Jian (College of Civil Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China) Abstract The LS-dyna numerical simulation model of blasting vibration is built by applying an equivalent explo- sive source load on the inner wall of cavity to further study double-hole millisecond blasting and cylindrical charge blasting. The new vibration characteristics of double-hole millisecond blasting and cylindrical blasting are discussed respectively. The delay interval time of double-hole millisecond blasting numerical model is controlled by loading time. At the same time,the loading components with different length are established to simulate charge length of long charge blasting vibration. The simulation results fit the corresponding theoretical calculation results well. Results show that the peak particle velocity(PPV)of millisecond blasting has significantly negative correlation with the distances. While local PPV increasing phenomenon is found during the decay process,and the increase of amplitude and range are related to the interval time. The longer the interval time is the larger the distance between blasting source and lo- cal amplification phenomenon is and the smaller the increase amplitude is. The simulation results of long cylindrical charge show that the PPV of certain point in the medium wouldn′t increase with the charge length when the charge length reaches a certain value,which show the defect of common calculation method. These results are quite signifi- cant for the blasting vibration prediction and design. Key words blasting vibration;millisecond blasting;cylindrical charge;numerical simulation 万方数据 收稿日期2017 -04 -21 作者简介陈士海(1964 -) , 男, 教授、 博导, 主要从事工程爆破与岩 土工程减灾工作, (E-mail)cshblast@126. com。 基金项目国家自然科学基金(11672112) ; 高等学校博士学科点专 项科研基金(20113718110002) ; 爆炸冲击防灾减灾国家 重点实验室开放课题(DPMEIKF201307) ; 华侨大学科研 基金项目(13BS402) 爆破振动作为爆破公害之一, 国内外诸多学者 对此进行了研究。随着爆破技术发展, 多孔微差爆 破和长柱药包爆破越来越多的被应用到实际工程 中, 与之相关的爆破振动研究也逐步展开。 多孔微差爆破主要作用是将爆破振动信号在时 间上分离开来, 使不同相位差的振动相互干扰, 以达 到降低爆破振动的目的[ 1]。为了确定合理的延时 间隔, 研究人员给出了多种基于实测的微差爆破延 时间隔计算公式[ 2-4]。并根据药包的空间位置及延 时间隔建立了毫秒延时爆破的峰值速度分区预测模 型[ 5]。研究表明, 多孔微差爆破振动的传播规律具 有一些新特点, 在一些工程中还出现过微差爆破比 齐发爆破振动强度大的现象[ 6]。Blair对微差爆破 进行讨论, 发现近区多孔爆破振动效应与单孔类似, 而远区的爆破振动呈现出一定的放大效应[ 7]。Yi 在平面应变假设下讨论了相邻炮孔爆破径向应力的 随距离的变化情况, 结果表明多次爆破振动叠加的 质点应力大于单孔爆破,且随距离衰减曲线不光 滑[ 8]。而现有的基于球形爆破理论建立起来的爆 破振动计算方法由于忽略了剪切波的影响, 具有一 定局限[ 9]。Chen通过柱状药包爆破的 Heelan解答 及微差爆破的P波和S波叠加计算, 得到质点峰值 速度随距离的变化关系, 并指出随着距离的增加, 多 孔微差爆破振动幅值在远区会出现局部的增大现 象[ 10]。另一方面, 在柱状药包爆破振动的研究中, 通过LS-Dyna模拟方法吴超讨论了不同起爆方式下 柱状装药爆破的爆轰过程和应力波传播特点[ 11]。 Vanbrabant通过FLAC数值模拟研究了柱状药包爆 破P波和S波特性[ 12]。Blair则分别讨论了不同药 包长度及炸药爆轰速度影响下柱状药包爆破振动传 播规律[ 13]。顾宏伟通过 JWL状态方程来描述炸药 爆炸发展情况, 模拟了半无限体中柱状药包爆破, 并 得到弹性区的应力时程[ 14]。与传统认识不同, Grant在早期的实验研究中发现, 当柱状药包长度到 达一定值时, 质点振动峰值速度将不随着药包长度 的增长的增加[ 15]。Chen对这种现象进行分析, 从 理论上解答了其产生原因[ 10]。 综上可知, 随着工程技术和数值模拟技术的发 展, 爆破振动出现的一些特点正逐渐的被人们所了 解, 但相关的研究还很有限。本文将通过数值模拟 方法, 分别对双孔微差和长柱状药包爆破振动进行 建模, 在理论研究基础上, 进一步分析和验证多孔微 差和长柱药包爆破振动特点。 1 数值模型参数及爆源等效荷载 建立无限弹性连续介质有限元模型, 介质泊松 比υ, 介质密度ρ, 弹性模量E以及剪切模量G如表 1所示。 表1 围岩计算参数 Table 1 Calculation parameter of surrounding rock μ ρ/ (kgm -3) E/ MPaG/ MPa 0. 32. 8 1035. 5 1042. 12 104 考虑到数值模型边界的存在会使振动波产生反 射, 影响最终计算结果, 将模型各边界均设立为无反 射边界条件。文中采用等效荷载的方法来模拟炸药 爆破爆源压力作用。爆源等效荷载为指数形衰减荷 载[ 16], 其表达式如下 P(t)= P0e-αt(1) 式中P0为荷载峰值, 与文献[10]相同, 取为 9. 13 103MPa;α为衰减系数, 与压力持续时间有 关[ 17], 在本文中取为 4000; 控制荷载输入终止时间 为0. 05 s。 2 双孔微差爆破振动数值模拟 2. 1 双孔微差爆破振动数值模拟模型 综合考虑模型大小及计算量的要求, 建立实体模 型尺寸为10 m 150 m 2.5 m, 其中建立两个半径为 0.5 m的炮孔, 炮孔间距3 m, 模型采用Solid146实体 单元模型, 对模型进行网格划分, 并对炮孔附近网格 进行局部细化处理, 模型网格划分如图1。 图1 双孔微差爆破振动模拟网格划分 Fig. 1 Mesh model of double-hole millisecond blasting vibration 74第34卷 第3期 陈士海, 吴 建 双孔微差及长柱药包爆破振动数值模拟研究 万方数据 2. 2 数值模拟结果及对比 分别设置双孔微差延时间隔时间为0. 01 s、 0. 015 s以及0. 02 s, 计算终止时间为0. 2 s。当微差 间隔时间为0. 01 s时, 各时刻下, 质点总速度云图 如图2所示。 图2 双孔微差爆破振动总速度云图 Fig. 2 Resultant particle velocity contours of double-hole millisecond blasting vibration 从图2中云图变化可知, 炮孔1受到动载作用 时发生变形, 当时间到达0. 01 s以后后, 炮孔2开 始受到动载。质点振动速度随的发展云图整体可以 模拟出双孔微差爆破振动情况。 图3 ~图5给出了微差间隔时间为0. 01 s、 0. 015 s以及0. 02 s时, 距爆源20 m处质点振动的 水平速度和竖直速度。 图3 微差间隔为0. 01 s质点振动速度时程曲线 Fig. 3 Time history curve of particle velocity when interval time is 0. 01 s 由图3 ~图5可见, 当微差间隔时间较小时, 前 后两次爆破振动波形相互叠加较为明显, 图3中质 点振动的峰值速度明显比图4及图5小, 这表明当 微差间隔较小的时候, 设置合理的微差爆破时间是 可以降低爆破振动速度。而图4和5中, 质点振动 峰值速度并没有明显的不同, 这表明当微差间隔时 间到达一定值时, 微差爆破的降振效果不明显。 当微差间隔时间为0. 015 s时, 数值模拟计算得 到的质点振动峰值速度随水平距离变化情况图6所 示, 其中理论值是通过文献[10] 理论方法计算所得。 84爆 破 2017年9月 万方数据 图4 微差间隔为0. 015 s时质点振动速度时程曲线 Fig. 4 Time history curve of particle velocity when interval time is 0. 015 s 图5 微差间隔为0. 02 s时质点振动速度时程曲线 Fig. 5 Time history curve of particle velocity when interval time is 0. 02 s 图6 质点峰值速度随水平距离衰减 Fig. 6 The PPV attenuate with horizontal distance 从图6可以看出, 质点峰值速度总体上随着水 平距离的增加而衰减, 但随着距离的增加, 质点峰值 速度出现局部的增大现象。数值模拟得到的质点峰 值速度衰减规律大致上与理论结果类似。 为了进一步讨论微差间隔时间对质点峰值速度 衰减的影响, 分别对不同微差延时间隔条件下的质 点振动峰值速度随水平距离的衰减规律进行分析, 数值模拟结果如图7所示。 从图中可发现, 在近区时, 图中所列微差爆破间 隔时间对质点峰值速度影响不大, 不同微差爆破质 点振动幅值基本重合。在中远区, 随着微差间隔的 增加, 质点峰值速度的局部增大区往远区发展, 相应 的增大幅值在减小, 通过与理论计算进行对比, 可发 现, 除了整体质点峰值速度与理论计算结果小外, 质 点振动峰值速度的局部增大范围和随距离的变化趋 势和理论结果都是类似的。 3 长柱药包爆破振动数值模拟 3. 1 长柱药包爆破振动数值模拟模型 基于计算精度和计算量的考虑, 建立有限元实 体模型尺寸为5 m 38 m 105 m,建立半径为 0. 5 m的柱状空腔用来施加等效爆破荷载, 网格划 分情况如图8所示。 通过控制组元的组合来实现对不同药包长度爆 破模拟, 荷载设定与双孔微差爆破相同。值得注意 的是, 为了考虑到药包爆破爆轰速度的影响, 在荷载 施加过程中, 需要设置多组时间相关荷载数组, 并沿 轴向依次分别加载。 94第34卷 第3期 陈士海, 吴 建 双孔微差及长柱药包爆破振动数值模拟研究 万方数据 图7 不同微差间隔质点峰值速度衰减规律 Fig. 7 The PPV attenuation law with different interval times 图8 长柱药包爆破振动有限元网格划分 Fig. 8 Mesh model of long cylindrical blasting vibration 3. 2 数值模拟结果及对比 设置模拟终止时间为0.2 s, 图9为不同时刻下药 包长度为8 m的柱状药包爆破振动水平位移云图。 从图9中位移云图可观察到, 振动从爆源开始 迅速向四周发展, 在爆源上方附近, 振动幅值较小, 随着水平距离的增加振动幅值先增大再减小。 建立长度为2 m、4 m、8 m、10 m以及12 m的柱 状空腔内壁组元。假设药包从底部起爆, 自下而上, 依次对空腔内壁施加人为控制延时间隔的压力荷载 以模拟爆轰引起的荷载滞后作用。分别对各模型进 行计算, 并在模型上取距爆源竖向距离为30 m以及 水平距离分别为5 m、10 m、20 m级30 m的各点, 计 算其最大的水平和竖向位移, 计算结果与理论结果 进行对比如图10和图11所示。 图9 长柱药包爆破振动水平位移云图 Fig. 9 Horizontal displacement contours of long cylindrical blasting vibration 05爆 破 2017年9月 万方数据 图10 爆破振动质点水平位移 Fig. 10 Horizontal displacement of blastingvibration 图11 爆破振动质点竖向位移 Fig. 11 Vertical displacement of blasting vibration 从图中结果我们可发现, 质点振动幅值并非单 纯的随着药包长度的增加而增加。对于介质中特定 质点, 当药包达到一定长度时, 质点振动幅值不再随 着药包长度增加而增加, 反而趋于某一稳定值。数 值模拟结果和理论计算结果类似, 这表明传统通过 炸药药量控制质点振动幅值的计算方法具有一定的 缺陷。 4 结论 通过爆源等效荷载输入的方法, 建立双孔微差 爆破振动及长柱药包爆破振动数值模拟模型, 分别 讨论了不同微差间隔及药包长度下爆破振动幅值特 点, 并与相应的理论结果进行对比, 得到的主要结论 如下 (1) 双孔微差爆破在一定程度上能降低爆破振 动幅值, 但是当微差间隔时间较大时, 降振效果就不 明显。 (2) 双孔微差爆破质点峰值速度随着水平距离 的增加整体呈负指数衰减, 但是, 在距离爆源一定区 域内, 质点峰值速度会出现局部放大效应。这种放 大效应与微差间隔时间有关, 间隔时间越长, 局部放 大效应距离爆源越远, 放大幅值越小。 (3) 对柱状药包爆破振动位移特性的分析则表 明, 质点振动峰值位移并不一定随着药包长度的增 加而增加, 当药包长度到达一定值后, 质点振动峰值 位移不再随之增大。这表明传统通过药量来预测爆 破振动幅值的计算公式具有一定局限性。 主要通过数值模拟手段对多孔微差和长柱药包 爆破振动的一些新特性进行验证分析, 数值结果与 理论结果整体上一致。相应的结论对爆破施工设计 及振动预测具有一定的工程意义。 参考文献(References) [1] 张光雄, 杨 军, 卢红卫.毫秒延时爆破干扰降振作用 15第34卷 第3期 陈士海, 吴 建 双孔微差及长柱药包爆破振动数值模拟研究 万方数据 研究[J].工程爆破,2009,15(3) 17-21. [1] ZHANG Guang-xiong,YANG Jun,LU Hong-wei. Research on seismic wave interference effect of millisecond blasting [J]. Engineering Blasting,2009,15(3) 17-21.(in Chi- nese) [2] 刘 倩, 吕淑然.露天台阶爆破毫秒延时间隔时间研 究[J].工程爆破,2014,20(1) 54-58. [2] LIU Qian,LV Shu-ran. Research on the millisecond delay interval time of open-pit bench blasting[J]. Engineering Blasting,2014,20(1) 54-58.(in Chinese) [3] 钟冬望, 何 理, 操 鹏, 等.爆破振动持时分析及微 差爆破延期时间优选[J].爆炸与冲击,2016,36(5) 703-709. [3] ZHONG Dong-wang,HE Li,CAO Peng,et al. Analysis of blasting vibration duration and optimizing of delayed time interval for millisecond blasting[J]. Explosion and Shock Waves,2016,36(5) 703-709.(in Chinese) [4] 吴贤振, 尹丽冰, 刘建伟, 等.基于LS-DYNA的临近采 空区多段爆破微差时间优化研究[J].爆破,2015, 32(1) 87-92. [4] WU Xian-zhen,YIN Li-bing,LIU Jian-wei,et al. Optimi- zation of blasting delay time near underground goaf based LS-DYNA[J]. Blasting,2015,32(1) 87-92.(in Chi- nese) [5] 李顺波, 杨仁树, 杨 军.精确延时爆破振动速度峰值 预测模型[J].工程爆破,2016,22(3) 79-82. [5] LI Shun-bo,YANG Ren-shu,YANG Jun. Peak vibration velocity predication model of precision delay blasting[J]. Engineering Blasting,2016,22(3) 79-82.(in Chinese) [6] 郑 峰, 段卫东, 钟冬望, 等.爆破震动研究现状及存 在问题的探讨[J].爆破,2006,23(1) 92-94. [6] ZHENG Feng,DUAN Wei-dong,ZHONG Dong-wang,et al. Research progress existing problems of blasting vibra- tion[J]. Blasting,2006,23(1) 92-94.(in Chinese) [7] BLAIR D P. Some problems associated with standard charge weight vibration scaling laws[C]∥Proceedings of The 3rd International Symposium on Fragmentation by Blasting,Brisbane. 1990149-158. [8] YI C,JOHANSSON D,NYBERG U,et al. Stress wave in- teraction between two adjacent blast holes[J]. Rock Me- chanics and Rock Engineering,2016,49(5) 1803-1812. [9] AINALIS D,KAUFMANN O,TSHIBANGU J P,et al. Modeling the source of blasting for the numerical simula- tion of blast-induced ground vibrationsa review[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering,20161-23. [10] CHEN S H,WU J,ZHANG Z H. Influence of millisecond time,charge length and detonation velocity on blasting vibration[J]. Journal of Central South University,2015, 224787-4796. [11] 吴 超, 周传波, 路世伟, 等.柱状装药不同起爆方式 的数值模拟研究[J].爆破,2016,33(2) 74-77. [11] WU Chao,ZHOU Chuan-bo,LU Shi-wei,et al. Numeri- cal simulation on cylindrical charged explosives with dif- ferent initiation[J]. Blasting,2016,33(2) 74-77.(in Chinese) [12] VANBRABANT F,CHAC N E P,QUINONES L A. P and S mach waves generated by the detonation of a cylin- drical explosive charge experiments and simulations[J]. Fragblast,2002,6(1) 21-35. [13] BLAIR D P. Blast vibration dependence on charge length,velocity of detonation and layered media[J]. In- ternational Journal of Rock Mechanics and Mining Sci- ences,2014(65) 29-39. [14] 顾宏伟, 赵燕明, 金 文.柱状药包岩石中爆炸的数 值模拟[J].工程爆破,2007,13(1) 24-27. [14] GU Hong-wei,ZHAO Yan-ming,JIN Wen. Numerical simulation of explosion with cylinder charge in rock[J]. Engineering Blasting,2007,13(1) 24-27.(in Chinese) [15] GRANT J R,SPATHIS A T,BLAIR D P. An investiga- tion of the influence of charge length upon blast vibra- tions[C]∥6th ISRM Congress. International Society for Rock Mechanics,1987(1) 637-641. [16] 张玉成, 杨光华, 刘 鹏, 等.爆破荷载在数值计算中 的等效施加方法研究[J].地下空间与工程学报, 2012,8(1) 56-64. [16] ZHANG Yu-cheng,YANG Guang-hua,LIU Peng,et al. An equivalent approach for acting blasting load in dy- namic numerical simulation of blasting vibration[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2012,8(1) 56-64.(in Chinese) [17] 徐全军, 龙 源, 张庆明, 等.微差爆破震动叠加起始 位置数值模拟[J].力学与实践,2000,22(5) 45-48. [17] XU Quan-jun,LONG Yuan,ZHANG Qing-ming,et al. Numerical simulation of the starting position of ground vibration in short delay blasting[J]. Mechanics in Engi- neering,2000,22(5) 45-48.(in Chinese) 25爆 破 2017年9月 万方数据