岩石爆破中径向和轴向不耦合装药的对比分析.pdf

第35卷第4期 2018年12月 Vol. 35 No. 4 Dec. 2018 爆破 BLASTING doi10.3963/j. issn. 1001 -487X. 2018. 04.005 岩石爆破中径向和轴向不耦合装药的对比分析 1.西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055 ；2.海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240； 3.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安710038 摘要根据不耦合装药介质和炸药的相对位置不同，可分为径向和轴向不耦合装药，两种装药方式均广 泛应用于工程实践，研究两种装药方式的优缺点对于合理选取装药方式具有极其重要的作用。基于显式动 力学有限元软件LS-DYNA建殳二维数值计算模型，以岩石损伤分布、孔壁压力分布、爆破效率为评判依据， 对径向不耦合系数、轴向不耦合装药位置、轴向不耦合系数等因素进行了对比分析。对比计算结果发现随 着径向不耦合系数增大，岩石破坏区逐渐减小，裂隙区在破坏区所占的比例增大；综合破坏区域和爆破效率， 径向不耦合系数取2时，爆破效果较好。轴向不耦合装药位置的不同导致岩石破坏区域的不同，同样装药量 前提下，空气层位于炮孔两侧时爆破效果最佳；随着轴向不耦合系数增大，岩石破坏区域逐渐减小，且破坏区 域主要集中于装药段。综合三个评判依据，径向不耦合装药相对于轴向不耦合装药对爆炸能量的分布更为 合理，对岩体产生的破坏范围更为均匀，故在实际工程中建议采用径向不耦合的装药形式。 关键词岩石；爆破；不耦合装药；孔壁压力；岩石损伤 中图分类号TD235 文献标识码A 文章编号1001 -487X201804 - 0026 - 08 Comparison of Radial and Axial Uncoupled Charge in Rock Blasting YANG Yue-zong 2 ,SHAO Zhu-shan ,XIONG Xiao-feng ,MI Jun-了eng“ 1. School of Civil Engineer ing,Xizan Univer sity of Ar chitectur e 为了便于模拟，把堵塞炮孔的炮泥简 化为岩石材料，其尺寸为6 cmx20 cm；根据装药半 径分别选取为 3 cm、2 cm、1.5 cm、1 cm、0. 6 cm,其 对应的径向不耦合系数为1、1 5、2、3、5,共设置5组 对比模拟试验，模型计算终止均为150 rs。 图1径向不耦合系数模型 Fig. 1 Radial uncoupling coefficient model 12材料参数选取 ANSYS/LS-DYNA是一款大型显式有限元分析 软件,广泛应用于高速碰撞、侵彻、爆炸冲击、模压等 大变形、非线性动力问题W LS-DYNA的材料库 囊括了近百种材料的本构模型，如混凝土、岩石、土 壤、玻璃、钢材、炸药等,用户也可以根据研究问题的 需要对材料模型进行自定义，并可以考虑材料失效、 损伤、蠕变、热传导等材料性质118] o 选取LS-DYNA中广泛应用的炸药模型MAT_ HIGH_EXP LOSIVE_BURN,并通过与之相对应的* EOSJWL状态方程来描述炸药爆炸时体积与压力 的关系,JWL状态方程如下 1 28爆破2018年12月 式中P为爆轰产物的压力；V为相对体积;E。 为初始内能密度;A、B、乩、鸟、3为常数。炸药参数 详见表1,炸药状态方程参数详见表2。 表1高能炸药参数 Table 1 Parameters of high explosive R。/ g cm3 D/ m ■ s 1 PCJ/MPa KGSIGY 1.6469300. 27 x 105 000 表2炸药状态方程参数 Table 2Parameters of state equation for explosive 4/GP a B/GPa R1 人2 少E/GPaVo 374 3.23 4.]15 0.95 0.371 岩石在爆炸产生的高温、高压荷载作用下，表现 出高应变率和大变形的破坏特征，为了准确描述岩 石爆破的损伤分布及破坏过程，本文选用JHC Johnson_Holmquist_Concr ete岩石材料模型⑼。该 模型将岩石的损伤因子D定义为等效塑性应变和 塑性体积应变累加 2 式中△引为等效塑性应变量;为等效体积 应变增量厂0,为常压P下断 裂时的塑性应变;必为等效塑性应变;同为等效体 积应变;厂为材料所能承受的规范化最大拉 力“为材料抗拉强度；0,。2为损伤常数。岩石损 伤模型参数详见表3。 表3岩石损伤模型参数 Table 3 Parameters of damage constitutive model of rock 7o/g cm3G/GP aAB CN 化/GP a T/GP aEPS.EFmti 2.4414. 860. 791.600. 0070.610. 0480.0041 xlO-60.01 SFmaxPc/GP a Uc P /GP a UlD、D2 K/GP aK2/GPa“GP a 70.0160.0010.80. 10.04185-171208 D Z 空气在数值模拟中被看作流体处理，从本构关 系和状态方程两个方面对其进行描述。本构关系用 于描述流体应力和应变之间的关系，状态方程用于 描述压力和体积之间的关系。选用LS-DYNA中自 带的MAT_NULL材料模型,状态方程选用Gr uneisen 方程［2。 PC［1 1 -号”-弄打 P - 2 3 7T L 口 1 从 1 」 3 式中P o为材料密度；％为Gr uneisen参数；竝 为内能;C为曲线的截距；S|、S2、S3分别为曲线斜率 的系数;a为％和“的一阶体积修正。空气相关参 数相见表4。 表4空气材料参数 Table 4 Parameters of air P o/g ・ cm3C S,S2 S3 To 0.0012520.3440001.4 0 1.3径向不耦合系数模拟结果 从不同径向不耦合系数所对应的损伤云图图 2可以看出，径向不耦合系数对岩石损伤分布有显 著影响。根据炸药爆破后岩体的受力分布情况以及 岩石的动态抗压强度［21221,可把损伤因子大于0. 9 的区域作为压碎区，损伤因子在0. 1至0.9区域作 为裂隙区，损伤因子为0至0.1的区域作为弹性区。 通过LS-P REP OST对数值模拟结果进行后处理，可 得到爆破后不同径向不耦合系数所对应的压碎区和 裂隙区。在分析中，把压碎区和裂隙区统称为破坏 区，并把结果进行整理得到了岩石的损伤范围与径 向不耦合系数的关系，如图3所示。当心1,即耦 合装药时，炸药在爆炸后产生强大的爆炸冲击波作 用于炮孔孔壁，由于爆炸冲击荷载远大于岩石的动 态抗压强度,岩石在爆炸冲击波的作用下被压碎，产 生压碎区，爆炸冲击波在压碎岩石的同时消耗了大 量的能量，致使爆炸冲击波无法在压碎区以外产生 裂隙区⑺如。耦合装药在岩体中主要产生压碎区, 裂隙区很小，耦合装药所形成的压碎区岩石碎块块 度小有利于出渣，但这种装药方式对炸药能量的利 用率低。当Kd 1.5时，如图2b所示，与耦合装 药类似,炸药爆炸后在孔壁周围产生压碎区，相比于 耦合装药，压碎区减小，裂隙区增大。当Kd2时, 如图2c所示，压碎区只发生在炮孔端部产生，这 是因为炮孔端部没有空气填充，炸药与岩石直接作 用所致，而沿炮孔轴向的炮孔孔壁与炸药之间空气 层的缓冲作用，炮孔侧壁的岩石没有明显的压碎区， 第35卷第4期杨跃宗，邵珠山，熊小锋.等岩石爆破中径向和轴向不耦合装药的对比分析29 破坏区域以裂隙区为主。当Sg为炸药区 域的面积。 al bK1.5 cK2 d在而在炮孔孔口 和炮孔孔底都只受到一侧炸药的爆破荷载作用。 径向不耦合系数当空层在炮孔顶部时，孔壁压力最大值 在炮孔底部炸药与岩体的交界处；当空气层位于炮 孔中间部位时，炮孔孔壁压力的最大值在炮孔孔口 炸药与堵塞体的交界处以及炮孔底部炸药与岩体的 交界处同时产生；当空气层位于炮孔两端时,孔壁压 第35卷第4期杨跃宗，邵珠山，熊小锋，等 岩石爆破中径向和轴向不耦合装药的对比分析 31 力最大值出现在炸药与空气层的交界处靠近炸药的 部分。 图8不同装药位置的孔壁压力分布 Fig. 8 P r essur e distr ibution on bor ehole wall with differ ent explosive locations 当空气层在炮孔底部时,孔壁压力分为四个阶 段在空气层段0wd20 cm,孔壁压力基本为0； 在空气层与炸药的交界段20 cmWd 40 cm，孔 壁压力呈上升趋势;在炸药段40 cmWd70 cm, 孔壁压力基本保持不变;在炸药段和堵塞体的交界 段40 cmWd 80 cm,孔壁压力再次上升。当空 气层位于炮孔顶部时，炮孔孔壁压力变化规律与空 气层位于底部时的变化规律类似。当空气层位于炮 孔中部时，孔壁压力呈现两边大中间小的下凹形分 布特点，在炮孔轴向中点处孔壁压力最小。当空气 层位于炮孔两端时,炮孔孔壁压力呈现马鞍型在空 气层段Owd 10 cm 和 70 cm Wd 80 cm，炮孔孔 壁压力基本为0；在空气层与炸药的交界段10 emW d 20 cm和60 cmWd 70cm，炮孔孔壁压力沿向炮 孔中心方向呈上升趋势；在炸药段20 cmWd 60 cm,孔壁压力呈现轻微的下凹趋势。综合来看, 在轴向不耦合装药中，将空气层放置于炮孔两端，爆 炸荷载的分布更为均匀，可以取得更好的爆破效果。 2.3轴向不耦合装药系数模型 根据轴向不耦合装药位置数值模拟结果，空气 层放置于炮孔两端使爆炸荷载的分布更为均匀，可 以取得更好的爆破效果。本小节采用将炸药放置于 炮孔的中间部位，空气层放置于炮孔两端的装药方 式，通过改变炸药和空气层的比例来实现不同的轴 向不耦合系数。 轴向不耦合系数模型如图9所示，尺寸为 150 cm x 150 cm；炮孔放置于模型中心，其尺寸为 6 cmx 100 cm；堵塞炮孔的炮泥简化为岩石，其尺寸 为6 cm x20 cm；为了实现不同的轴向不耦合系数, 炸药放置于炮孔中间，其尺寸分别取为6 cm X 50 cm、6 cm x40 cm、6 cm X26 cm、6 cm x36 cm,炮 孔的剩余部分用空气填充，即所对应轴向不耦合系 图9轴向不耦合系数模型 Fig. 9 Axial uncoupling coefficient model 2.4轴向不耦合系数模拟结果 根据不同的轴向不耦合系数所对应的损伤分布 图10,可以发现随着轴向不耦合系数的增大，岩 石中产生的破坏区域逐渐减小，且破坏区域主要集 中于装药段。为了获取不同的轴向不耦合系数在孔 壁上产生压力的分布，在孔壁上以5 cm为间隔，每 组提取17个特征点，绘制了不同轴向不耦合系数所 对应的孔壁压力分布图图11,图中竖向的直线为 炸药与空气层的交界面。在空气层放置于炮孔两端 的轴向不耦合装药中，当KW 时，孔壁压力呈马鞍 型分布；当K轴向不耦合装药所产生的粉碎区集 中于炮孔中部的炸药部位，空气层段基本没有损伤。 通过对轴向不耦合装药和径向不耦合装药的破坏区 比较可以发现径向不耦合装药的粉碎区少,主要以 裂隙区为主，并且破坏区域沿炮孔轴向均匀分布;轴 向不耦合装药的裂隙区少，主要以粉碎区为主，并且 粉碎区集中于炮孔装药段附近。从岩体损伤和爆破 效率的角度，径向不耦合装药的爆破效果要优于轴 向不耦合装药。 a径向不耦合装药 b轴向不耦合装药 a Radial uncoupled char ge b Axial uncoupled char ge 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 耦合装药对爆炸能量的分布更为合理，对岩体产生 的破坏范围更为均匀。 沿炮孔轴向距离d/cm 图13径、轴向不耦合装药的孔壁压力对比K 2 Fig. 13 Compar ison of the str ess distr ibution with r adial and axial uncoupled char ge K 二 2 4结论 通过有限元软件LS-DYNA建立数值模型，对径 向不耦合系数、轴向不耦合装药位置、轴向不耦合系 数等爆破参数对岩石损伤分布和孔壁压力分布的影 响进行了研究，得出如下结论 1 轴向不耦合装药爆破产生的岩石损伤区域 和炮孔孔壁压力集中于装药段，空气段围岩损伤程 度小;径向不耦合装药对爆炸能量的分布更为合理, 使岩体产生的破坏范围更为均匀。综合考虑岩石损 伤分布、炮孔孔壁压力以及爆破效率,径向不耦合装 药的爆破效果要优于轴向不耦合装药。 2 通过单位能耗所产生的岩石损伤区域定义 爆破效率指数，用以定量反应爆破效率。径向不耦 合装药时,随着径向不耦合系数增大,破坏区范围逐 渐减小，裂隙区在破坏区所占的比例增大，破坏效率 增大。综合破坏区域和爆破效率，径向不耦合系数 取2时，爆破效果最好。 3 轴向不耦合装药的装药位置和不耦合系数 装药范围均对爆破效果产生影响,装药段的孔壁 压力、岩体损伤程度都远大于空气填充段。 D 图12径、轴向不耦合装药的损伤分布对比K 2 Fig. 12 Compar ison of the damage distr ibution with r adial and axial uncoupled char ge K 2 通过对轴向不耦合装药和径向不耦合装药的孔 壁压力的比较图13可以发现径向不耦合装药所 产生孔壁压力沿炮孔轴向基本保持不变，只在炮孔 的孔口和孔底部位略有减小;轴向不耦合装药所产 生的孔壁压力主要集中在装药部位，且孔壁压力的 最大值约为径向不耦合装药的两倍，而在空气层部 位孔壁压力基本为0。通过比较可以发现，径向不 参考文献References [1] 万元林，王树仁.关于空气不偶合装药初始冲击压力 计算的分析[J] 爆破,2001,18113-15. 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