脆性岩石中爆炸扩腔作用的数值模拟及分析.pdf
第3 1 卷第1 期 2 0 1 4 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .3 1 N o .1 M a r .2 0 1 4 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 4 .0 1 .0 1 3 脆性岩石中爆炸扩腔作用的数值模拟及分析木 张东风,陈星明,肖正学 西南科技大学环境与资源学院,绵阳6 2 1 0 1 0 摘要 为研究脆性岩石中炸药爆炸后的扩腔过程以及腔壁压力变化特征,运用动力有限元分析软件A N . ”S /I s D Y N A ,模拟了脆性岩石中爆炸扩腔的动态扩展过程,并对空腔扩展及扩腔过程中质点的速度、位 移和压力的变化规律进行了分析。分析得出以下结论爆轰完成的时间大约为1 6 0 ,1 7 0 “s ,爆炸扩腔经历 的时间大约为1 2 2 4I x s ,整个爆生气体的最大压力为1 .1 0G P a 。爆炸最终形成的腔体半径是药包等效半径的 6 .9 7 倍,爆破空腔的体积约为3 3 7 .7 1c m 3 。由分析得出此次模拟结果与理论相符。 关键词爆炸扩腔;数值模拟;脆性岩石 中图分类号T D 2 3 5 ,1文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 1 0 0 6 0 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fB u l l i n gB l a s t i n gi nB r i t t l eR o c k Z H A N GD o n g - f e n g ,C H E NX i n g m i n g ,X I A OZ h e n g x /z e C o l l e g eo fE n v i r o n m e n ta n dR e s o u r c e ,S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt o s t u d yt h ed y n a m i cp r o c e s so fs p r i n g i n g b u U i n gb l a s t i n ga n db l a s t i n gb l a s th o l ep r e s s u r e c h a n g ea f t e rt h ee x p l o s i o ni nb r i t t l er o c k ,t h ed y n a m i cp r o c e s so fc a v i t yi nb r i t t l er o c kW a ss i m u l a t e db yL S .D Y N A . T h ep r o c e s so fc a v i t yv a r i a t i o nW a sa n a l y z e da sw e l la st h ev e l o c i t y ,d i s p l a c e m e n ta n dp r e s s u r eo fp a r t i c l e s .B a s e do n t h ed i s c u s s i o n ,s o m er e s u l t sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g t h ed u r a t i o no fc h a r g ed e t o n a t i o nw a sa b o u t1 6 0 ~1 7 0 “s , t h ed u r a t i o no fc a v i t yb u l l i n gw a sa r o u n d1 2 2 4 斗s ,t h em a x i m u mp r e s s u r eo ft h ew h o l ed e t o n a t i o ng a sW a s1 .1 0G P a , t h er a d i u so ft h eb l a s t i n gc a v i t ye v e n t u a l l yf o r m e dw a s6 .9 7t i m e sa st h el e n g t ho ft h ee q u i v a l e n tr a d i u sc h a r g e ,a n d t h ev o l u m eo ft h eb l a s t i n gc a v i t yW a sa b o u t3 3 7 .7 1a m 3 .D u et ot h ea n a l y s i s ,t h ec o n c l u s i o nf r o mt h es i m u l a t i o nW a s a c c o r dw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t s . K e yw o r d s e x p l o s i o ns p r i n g i n gc a v i t y ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ;b r i t d er o c k 炸药在岩石内部爆炸会推动周围岩石运动而产 生空腔,有些人认为主要是冲击波作用的结果m ] , 当炸药爆炸后在孔壁周围介质内激起的爆炸冲击波 径向剧烈冲击压缩孔壁周围介质而形成粉碎区,同 收稿日期2 0 1 3 1 1 一0 9 作者简介张东风 1 9 8 8 一 ,女,西南科技大学硕士研究生,从事爆 破工程及安全防护的研究。 E m a i l c h e e r i 0 5 2 1 f o x m a i l . c o m o 通讯作者陈星明 1 9 7 2 一 ,男,西南科技大学副教授,从事研究采 矿工程与矿山安全等方面的教学与研究, E .m a i l c x m s w u s t .e d u .c n 。 项目基金国家自然科学基金 4 1 0 7 2 2 3 5 ;西南科技大学博士基金 项目 1 3 z x 7 1 0 1 时造成介质质点位移,扩张爆腔,从而产生爆扩现 象。也有些人认为是爆炸气体准静态膨胀压缩作用 的结果一西o ,因此破坏的发展方向是由装药引向自 由面。当爆生气体的膨胀压力足够大时,会引起自 由面附近岩石隆起、膨胀裂开并沿径向推出,这种理 论又称为准静力作用理论。然而,不管是以冲击波 的动力作用为主,还是以爆炸气体的准静态作用为 主,空腔都是因为孔壁周围介质受到压迫而破坏形 成的,一般我们称之为压扩理论。 爆炸成腔作为一种比较实用的爆破技术,已经 广泛应用于生产建设中的各个领域,具有重要的应 万方数据 第3 1 卷第1 期张东风,陈星明,肖正学脆性岩石中爆炸扩腔作用的数值模拟及分析 6 1 用前景。王海亮、曹跃等通过理论推导和实践经验 总结,找到一些简便易算的爆炸成腔半径计算公 式,8 1 ;也有一些学者利用有限元分析软件做了小 药量和大药量爆炸的数值模拟,如张建华、韩宝成等 进行了土中小药量条形装药爆炸的数值模拟一。12 | , 取得了一定的成果;潘强等运用方形炮孔进行了不 同耦合系数的土体爆炸压密的数值模拟,获得了爆 炸应力、爆腔半径以及压密效果的数值模拟结 果3 | ,同时与其室外试验结果进行了比较;崔激等 进行了不同药包直径和不同药包埋深的土体爆坑数 值模拟4 | ,得出爆坑直径与药量和埋药深度存在一 定的非线性关系的结论;任晓亮等进行了大半径耦 合、不耦合两种装药方式的土中爆炸的数值模 拟【15 | ,并与理论计算进行对比,对于工程爆破参数 优化设计具有一定的指导作用。但是就目前而言, 我国对土中爆炸成腔的研究主要集中在试验研究和 数值模拟研究方面,在试验的基础上形成经验或近 似理论的公式,然而涉及岩石在爆炸作用下的变形 运动规律的研究比较少。 采用动力有限元分析软件A N S Y S /L S D Y N A , 建立球形耦合装药脆性岩石中爆炸扩腔过程的三维 分析模型,研究其腔壁质点的压力、速度、位移以及 扩腔的过程,以期对今后的工程实践起到一定的指 导作用。 1 材料模型的选用及计算模型建立 1 .1 岩石冲击模型 模拟选用的岩石类型是脆性岩石,比较常用的 几种岩石冲击模型有J H C 模型、P l a s t i c .K i n e m a t i c 模型、脆性损伤模型等6 | 。综合考虑以上几种常用 的岩石冲击模型,由于在脆性岩石受到爆炸冲击载 荷作用时,需要考虑大应变、高应变率和高围压下材 料损伤实效的动态响应,而J H C 模型是一种适用于 大应变、高应变率下混凝土与岩石的材料模型,同时 有模拟大应变、高应变率和高围压下岩石破碎的成 功案例,故J H C 模型是较合适的材料模型7 | 。J H C 模型与金属材料中应用广泛的J o h n s o n C o o k 材料模 型相类似,其等效屈服强度是压力、应变率和损伤量 的函数,损伤量则是塑性体应变、等效塑性应变和压 力的函数。 J H C 模型的标准化等效应力为 }矿 盯2 刀 式中盯是等效应力i 厂。’是准静态单轴抗压强度。 等效屈服强度为副 盯’ [ A 1 一D B P “] [ 1 一cI n 占 ] 式中D 是损伤量;P4 彤 ,是标准化压力;占 8 /氏,是无量纲应变率;A 、B 、C 、和Ⅳ均是由实验室 确定的常数。模型的累积损伤来自等效塑性应变和 塑性体应变,其损伤演化方程为 n Y垒 堑 “一厶D , P r D 2 式中△s ,和△弘,是等效塑性应变和塑性体应变; D ,和D 是实验所得的损伤常数;T4 r /L , 是标准 化最大抗拉静水压力。岩石材料参数如表1 所 示㈣。 表1 岩石材料参数 T a b l e1 P a r a m e t e r so ft h ec o n c r e t e 1 .2 炸药状态方程 在数值模拟中,旨在精确描述装药爆轰时的压 力变化历程的方法很多。它们的原理基本都是以炸 药的爆轰研究成果结合爆生气体的状态方程描述整 个爆腔的动力膨胀。而L S D Y N A 软件则可以直 接模拟高能炸药的爆炸过程8 | 。炸药点火后产生 的爆炸载荷作用于周围介质,在爆炸场的数值模拟 中,由于爆轰产物的压力波动范围很大,很难找到一 个适合所有压力范围的状态方程。1 9 6 5 年,美国 L a w r e n c eL i v e r m o r e 实验室的L e e 等在前人的工作 基础上提出了J W L 方程m ] P e o , A ,一蒜 e 啦y 十B ,一南 e 啦y 等 式中P 。为由J W L 状态方程决定的压力;V 为相对 体积;‰为初始比内能;A 、B 、R 。、R 和∞为描述J W L 方程的五个独立物理常数。 本文采用的就是J W L 方程。炸药参数如表2 所示“。 万方数据 6 2爆破 2 0 1 4 年3 月 表2 炸药参数 T a b l e2P a r a m e t e r so ft h ee x p l o s i v e 1 .3 数值计算几何模型 本次数值模拟的是球形耦合装药岩石中爆炸扩 腔过程,其的数值计算模型见图1 ,数值计算模型包 括两种材料炸药和岩石。本模型只建立了1 /4 个 模型,取模拟计算区域为1 0 0m m 1 0 0m m 2 0 0m m ,炸药中心位于埋深岩石介质1 0 0 .0m m 处, 药包尺寸为1 0m m 1 0m m 1 0m m ,等效于装药半 径为6 .2m m 的球形药包。 炸药包 图1 数值计算模型 单位m m F i g .I T h em o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n u n i t m m 2 计算结果及分析 2 .1 爆炸扩腔过程 图2 为炸药在岩石中爆炸的扩腔过程。炸药爆 炸后,大约经历1 6 0 1 7 0 s ,药包爆轰完成。在爆 轰结束时,爆轰产物压力高达6 .1 7G P a 。炸药爆炸 瞬间,爆轰波和高温高压的爆生气体产物撞击孔壁 在炮孔周围岩石中激起径向传播的爆炸冲击波,因 其峰值压力远高于岩石的动态抗压强度,故受其冲 击压缩作用,孔壁质点发生径向外移,空腔扩大,由 此,爆腔开始扩张,如图2 b 所示。爆炸冲击波压 缩孔壁岩石,传播出一个近似于球形的压力波,同 时,爆炸空腔开始以椭球对称的形式向外扩散,如图 2 C 所示,爆炸空腔快速扩大,接着由于冲击波在 传播过程中的衰减,其对孔壁质点的作用减弱,爆炸 空腔扩大速度降低,直至基本不变,最终可得到岩石 在炸药作用下的扩腔过程。由于在大约1 1 1 9 .9 斗s 时,爆炸空腔扩大的速度很小,此后空腔体积的变化 不大,故图2 d 显示的即可看成是最终的爆破空腔。 2 .2 空腔质点的速度 图3 为腔壁质点8 0 0 4 单元的速度一时程曲线 图。由图中可以得到,在约1 6 0t x s 时,由于爆炸冲 击波的冲击压缩作用,该质点的速度急剧增加,在 1 7 2I x s 时达到最大值,此时的速度为5 0 0m /s 。随 着冲击波的传播,该质点的速度又骤降,到2 3 3t x s 时骤降停止。此后,该质点逐渐呈现线性的趋势下 降,最终趋于0 ,符合爆破实际。 L 、 ■L 。口 图2 爆炸的扩腔过程 单位s F i g .2 T h ep r o c e s so fs p r i n g i n gb l a s t u n i t I x s 图3 腔壁质点的速度- 时程曲线 F i g .3V e l o c i t y t i m ec u r v eo ft h en o d eo nt h e e d g eo fe x p l o s i o nc a v i t y 2 .3 空腔质点的位移 图4 为腔壁质点8 0 0 4 单元的位移.时程曲线 图。从图中可以看出,该质点在1 6 0I - L S 之前没有位 移量。在1 6 0 s 之后由于爆轰波和高温高压的爆 生气体的作用,质点位移迅速增加,4 1 0 s 时质点 位移增加量开始逐渐减少,直至到1 2 2 4I X S 时质点 停止运动,此时质点的位移量为3 .7c m 。直至此 万方数据 第3 1 卷第1 期张东风,陈星明,肖正学脆性岩石中爆炸扩腔作用的数值模拟及分析 6 3 时,爆炸扩腔基本完成。根据图4 腔壁质点的速度一 时程曲线可以得到腔壁位移一时程曲线,由此得出爆 炸最终形成的腔体半径是等效半径的6 .9 倍。 g { 漆 邋 瞧 图4 腔壁质点的速度一时程曲线 F i g .4D i s p l a c e m e n t t i m ec u r v eo ft h en o d eo n t h ee d g eo fe x p l o s i o nc a v i t y 2 .4 空腔质点的压力 图5 为空腔中心点8 0 0 1 单元的压力.时程曲线 图。如图5 所示,由于爆炸时间很短,该质点的压力 基本上呈直线瞬间增大到最大值1 .1 0G P a ,冲击波 开始向外传播,爆轰气体积聚的能量开始向外扩散。 接着该质点的压力又急剧的下降,直至衰减为0 。 从图5 可以看出,该质点压力曲线光滑,没有波动, 相较于理想气体的压力衰减曲线基本一致,故该计 算结果较为理想。 \A一 0 .5 时间/m s 图5 空腔中心点的压力一时程曲线 F i g .5 P r e s s u r e t i m ecurveo ft h en o d ei nt h e c e n t e ro fe x p l o s i o nc a v i t y 3 结论 采用动力有限元分析软件A N S Y S /L S D Y N A 对脆性岩石中爆炸扩腔过程进行了数值模拟,很好 地再现了爆炸扩腔的物理过程。 1 通过对爆炸扩腔过程的动态分析,得出药 包爆轰完成时间大约为1 6 0 ~1 7 0 斗s 。在爆轰结束 时,爆轰产物压力高达6 .1 7G P a 。 2 通过对腔壁质点的速度一时程曲线的分析, 得出在约1 6 0 s 时开始,该质点的速度急剧增加达 到最大值5 0 0m /s 。之后,该质点的速度又骤降,一 段时间后逐渐呈现线性的趋势下降,最终趋于0 ,符 合爆破实际。 3 通过对腔壁质点的位移.时程曲线的分析, 得出爆炸扩腔大约经历的时间为1 2 2 4t z s ,此时质点 的位移量为3 .7c m ,由药包的等效半径为6 .2m m 得出爆炸最终形成的腔体半径是等效半径的6 .9 7 倍,最终形成的爆破空腔的体积约为3 3 7 .7 1c m 3 。 4 通过对空腔中心质点的压力一时程曲线的分 析,得出该质点的最大压力为1 .1 0G P a ,由于该质 点位于空腔中心,此最大压力也就是整个爆生气体 的最大压力。该质点压力曲线光滑,没有波动,相较 于理想气体的压力衰减曲线基本一致,有以上分析 结果可以得出,模拟结果较理想。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]林大能,胡伟,彭刚.岩土介质爆炸挤压特性分析 [ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 0 3 ,2 2 1 1 1 7 6 7 1 7 7 0 . 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J o u r n a lo fP r o j e c t i l e s ,R o c k e t s ,M i s s i l e sa n dG u i d a n c e , 2 0 1 0 ,3 0 3 5 9 6 2 . i nC h i n e s e [ 4 ]王仲琦,张奇,白春华.爆炸挤压粘土密度变化过程 的数值模拟[ J ] .岩土工程学报,2 0 0 1 ,2 3 3 3 5 0 - 3 5 3 . [ 4 ] W A N GZ h o n g q i ,Z H A N GQ i ,B A IC h u n h u a .N u m e r i c a l s i m u l a t i o no nv a r i a t i o no fd e n s i t yo ft h es o i lc o m p a c t e db y e x p l o s i o n [ J ] .C h i n e s eJ o u n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ,2 0 0 1 ,2 3 3 3 5 0 3 5 3 . i nC h i n e s e [ 5 ] 吴亮,卢文波,宗琦.岩石中柱状装药爆炸能量分 布[ J ] .岩土力学,2 0 0 6 ,2 7 5 7 3 5 - 7 3 9 . O 8 6 4 2 O 1 O O O O O 0 0 0 O O 0 0 0 O 孟o zo_【、R醴蟋 万方数据 爆破2 0 1 4 年3 月 [ 5 ] W UL i a n g ,L UW e n b o ,Z O N GQ i .D i s t r i b u t i o no fe x p l o s i v ee n e r g yc o n s u m e db yc o l u m nc h a r g ei nr o c k [ J ] .R o c k a n dS o i lM e c h a n i c s ,2 0 0 6 ,2 7 5 7 3 5 - 7 3 9 . i nC h i n e s e [ 6 ]王铁良,曹渊,张建鑫.地下爆炸空腔压力和温度历 程数值模拟[ J ] .计算物理,2 0 1 1 ,2 8 5 7 1 3 - 7 1 8 . 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C U IW e i ,S O N GH u i f a n g ,Z H A N GS h e r o n g ,e ta 1 .N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc r a t e r sp r o d u c e db ye x p l o s i o ni n s o i l [ J ] .R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,2 0 1 1 ,3 2 8 2 5 2 3 2 5 2 8 . i nC h i n e s e 任晓亮,杜志明,丛晓民.大半径装药土中爆炸的数 值模拟[ J ] .矿业研究与开发,2 0 1 0 ,3 0 1 1 0 0 1 0 3 . R E NX i a o l i a n g ,D UZ h i m i n g ,C O N GX i a o m i n .N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe x p l o s i o nw i t hl a r g er a d i u sc h a r g ei n s o i l [ J ] .M i n i n gR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t ,2 0 1 0 , 3 0 1 1 0 0 1 0 3 . i nC h i n e s e G EX i u r u n ,R E NJ i a n - x i ,P UY i - b i n ,e ta 1 .P r i m a r ys t u d y o fC Tr e a l t i m et e s t i n go ff a t i g u em e s o d a m a g ep r o p a g a t i o n l a wo fr o c k [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e e h n i c a le n g i n e e r - i n g ,2 0 0 1 ,2 3 2 1 9 1 1 9 5 . 祝效华,罗衡,贾彦杰.考虑岩石疲劳损伤的空气 冲旋钻井破岩数值模拟研究[ J ] .岩石力学与工程学 报,2 0 1 2 ,3 1 4 7 5 4 - 7 6 1 . Z H UX i a o h u a ,L U OH e n g ,J I AY a n - j i e .N u m e r i c a la n a l y s i so f a i rh a m m e rb i td r i l l i n g b a s e do nr o c kf a t i g u e m o d e l 『J1 .C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n . g i n e e r i n g ,2 0 1 2 ,3 1 4 7 5 4 - 7 6 1 . i nC h i n e s e L S T C .L S D Y N Ak e y w o r du s e r 7Sm a n u a l 『Z1 .C a l i f o r - n i a l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ,2 0 0 3 . 龚自明,张亚栋,胡瑞,等.B L U 一1 0 9 /B 侵彻厚混凝 土靶体的计算与分析[ J ] .防护工程,2 0 0 5 2 1 4 - 2 0 . G O N GZ h i m i n g ,Z H A N GY a d o n g ,H UR u i ,e ta 1 .C a l c u l a t i o na n a l y s i so fB L U - 1 0 9 /Bp e n e t r a t i n gi n t ot h i c k c o n c r e t et a r g e t s [ J ] .C h e m i c a lP r o p e l l a n t s P o l y m e r i c M a t e r i a l s ,2 0 0 5 , 2 1 4 - 2 0 . i nC h i n e s e 吴亮,卢文波,钟冬望,等.混凝土介质中空气间隔 装药的爆破机理[ J ] .爆炸与冲击,2 0 1 0 ,3 0 1 5 8 6 4 . W UL i a n g ,L UW e n b o ,Z H O N GD o n g w a n g ,e ta 1 .B i a s t i n gm e c h a n i s mo fa i r d e c k e dc h a r g ei nc o n c r e t em e d i u m [ J ] .E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ,2 0 1 0 ,3 0 1 5 8 - 6 4 . i nC h i n e s e 吴亮,周勇,杨聃,等.空气间隔与耦合装药混 凝土爆破对比分析[ J ] .武汉科技大学,2 0 1 2 ,3 5 3 2 2 5 - 2 2 8 . W UH a n g ,Z H O UY o n g ,Y A N GD a n ,e ta 1 .C o n t r a s t i v ea n a l y s i so fa i r - d e c kc h a r g ea n dc o u p l i n gc h a r g ei ns m o o t h b l a s t i n g [ J ] .J o u r n a lo fW u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,2 0 1 2 ,3 5 3 2 2 5 - 2 2 8 . i nC h i n e s e 万方数据