混装乳化炸药水孔装药数值模拟及试验研究.pdf

第2 8 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 8N o 4 2 0 1 1 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 1 ●●_ _ _ - - ●- _ - _ _ 一I I - - _ _ _ _ ●_ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ ●- ●_ _ _ ●_ _ _ _ D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 4 ．0 0 3 混装乳化炸药水孑L 装药数值模拟及试验研究木 叶海旺，农冬灵，赵明生，闫振雄 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要针对乳化炸药混装车水孔装药，输药软管未放到炮孔底部时，乳化炸药与孔内积水的混合情况进 行研究。通过改变炮孔内水位高度，对水孔装药过程进行现场试验及数值模拟。结果表明当孔内积水深度 大于射流的有效射程时，乳化炸药无法到达孔底，将会在孔底形成一段水柱，水柱上部的炸药与水呈混合状 态，影响装药的连续性。因此，水孔装药时，输药软管口与孔底距离应不超过射流的有效射程。 关键词乳化炸药；混装炸药车；水孔；数值模拟；现场试验 中图分类号3 3 2 3 5 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 1 0 4 0 0 1 l 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t sS t u d yo nE m u l s i o n E x p l o s i v eC h a r g i n gi nW a t e r - f i l l e d h o l e Y EH a i w a n g ，N O N G 肪n g - l i n g ，Z H A O 胁，l g s h e n g ，Y A NZ h e n - x i o n g ’ S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t ’n l em i x t u r eb e t w e e ne m u l s i o ne x p l o s i v ea n dw a m rd u r i n gt h e0 0 t l r s eo fc h a r g i n gw e r er e s e a r c h e d w h e nt h eh o s eo ft h ee x p l o s i v em i x e dl o a d i n gt r u c kd o n7 tr e a c ht h eb o t t o mo fw a t e r - f i l l e d - h o l e ．E x p l o s i v ec h a r g i n g p r o c e s sW a Ss i m u l a t e dw i t hc h a n g i n gt h ew a t e rl e v e li nw a t e r - f i l l e d ．h o l ea n dt e s t e di ns i t e ．T h e 瑚u l t ss h o wt h a tt h e e x p l o s i v ec a n lr e a c ht h eb o t t o mo ft h eb l a s th o l ew h e nt h ed e p t ho ft h ew a t e re x c e e d se f f e c t i v er a n g eo ft h ej e tf l o w ． T h e r ee x i s t 8aw a t e 肾c o l u m ni nt h eb o t t o mo fh o l e ．a n dt h eu p p e ro fw a t e re o I u i n ni st h em i x t u r eo fe x p l o s i v ea n dw a - t e r ．1 1 l i sm i x t u r ew i l la f f e c tt h ec o n t i n u i t yo fc h a r g e ．T h e r e f o r e ．t h ed i s t a n c eb e t w e e ne x p l o s i v ed e h v e r yh o s et ot h e b o t t o mo ft h eb l a S th o l es h o u l dn o tb em o r et h a nt h ej e te f f e c t i v er a n g e ． K e yw o r d s e m u l s i o ne x p l o s i v e ；m i x e dl o a d i n gt r u c k ；w a t e r - f i l l e d - h o l e ；n u m e f i c a ls i m u l a t i o n ；s i t et e s t 目前，已有的现场混装炸药主要有混装铵油炸 药及混装乳化炸药。机械化、高效率、安全性作业等 优越性，使得炸药现场混装技术成为当今民用炸药 技术的一个主要方向qo 。 乳化炸药混装技术最主要的特点之一是可应用 于水孔爆破。有研究指出【5 引，用乳化炸药混装车进 行装药作业时，将输药软管放到炮孔底部开始装药， 输药软管的提升与装药速度同步，乳化炸药可将炮 孔内积水排到药面上，实现装药的连续性，其间对装 收稿日期2 0 1 1 一0 9 一1 5 作者简介叶海旺 1 9 7 1 一 ，男，副教授．博士，从事采矿、爆破等方 向的教学与研究工作， E - m a i l y e h a i w a n 2 0 0 2 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目贵州科技计划项目 S Y 2 0 1 0 3 6 5 药人员操作的规范性有非常严格的要求。然而，在 生产过程中，孔壁岩性过于破碎，或装药人员工作态 度懈怠等原因，未将输药软管插到炮孔底部，或装药 时输药软管提升速度过快等现象时有发生，极易造 成炮孔内药柱不连续，尤其是有水的炮孔，最终影响 爆破效果。通过模拟试验及数值分析，研究水孔装 药时，在输药软管未放到孔底的情况下，炸药入水后 与水的混合状态。 ． 1 模拟试验 1 ．I 试验方案 为直观研究水孑L 装药时，在输药软管未放到炮 万方数据 爆破 2 0 1 1 年1 2 月 孔底部的情况下，乳化炸药与水的混合过程，模拟试 验采用高度为2m ，内径为9 2m m 的透明管模拟炮 孔，进行水孔装药试验。试验采用B c j 一0 型混装 乳化炸药装药车进行装药，其输药管内径为3 0m m ， 装药速度约为6 0k g ／m i n 。试验装置如图1 所示，其 中L 为模拟炮孔中水的深度。试验依炮7 L 中水深L 的不州分为4 组，分别为0 ．2m 、05m 、07m 及 10m 。装药时输药软管n 距孔底约1 ．6m ，炮孔均 注入约6k g 乳化炸药。 习 连续 表面 不平 水后不再连续，而是被水切成大小不一的散块，由于 受到水的缓冲及孔壁的限制作用，入水后炸药速度 变慢，到距水面约0 ．5m 处时逐减衰减为零，然后又 随着回流的水体向上运动，如此反复。炸药勺水混 合时，药体呈团状，表面凹凸不平，犹如被侵蚀的石 灰岩表面。在水中浸泡约1 0r a i n 后，乳化炸药表面 颜色由土黄色变为白色。试验结果如图2 所示。 当孔中水深为02m 时，对于装药的影响不大， 乳化炸药入水后冲到底部，尔后沿着7 L 壁往上冲卷。 待装药完成，可观察到孔中药柱连续，偶见少量小水 泡夹杂其中，如图2 a 所示；当孔中水深为0 ．5m 时，装药完成后，发现孔中01m 高度以下大部分为 水，只有少量颗粒直径较小的炸药团分散于水中，而 01m 高度以卜药柱基本连续，如图2 b 所示；当 孔中水深为0 ．7m 时，观察装药过程可发现，乳化炸 药入水后无法到达孔底，待装药完成，发现01 9m 高度以下无炸药，0 ．1 9 ～0 ．6 5m 为炸药和水的混合 物，且随着高度的增加水的比例逐渐减少，06 5 ～ 08 1i n 处有一段水柱，| | 1 i0 ．8 lm 以上药柱基本连 续，如图2 c 所示；孔中水位为10m 时，待装药完 成，可观察到孔中04 8m 高度以下为水柱，0 ．4 8m 以上为炸药与水的混合物，随着高度的增加水的比 例逐渐减少，如图2 d 所示。 柱被 切断 a L O2 m b L O6 m c L O7 m d L 10 m 图2 不同水深炸药与水的混合状态 F i g 2M i x e ds t a t eo fe x p l o s i v ea n dw a t e ra td i f f e r e n tw a t e rd e p t h 。。安萋兰簧墨恐奎碧篓黎8 ‰要黧雾警要耋鍪2 数理模型 到炮孔底部，当孔中积水足够深，则在炮孔底部将会 ～一一 形成乳化炸药与水混合的状态，甚至会在i L 底形成 2 ．1 物理模型 一段水柱，影响7 L 内装药的连续性，极易产生拒爆。模拟炮孔直径为9 2m i l l ，输药软管内径为 万方数据 第2 8 卷第4 期叶海旺，农冬灵，赵明生．等混装乳化炸药水孔装药数值模拟及试验研究 】3 3 0m m ，如图3 所示，其中L 为孔内水的深度。建立 二维轴对称模型，为避免出E l 边界与人口边界距离 过近，对流场产生影响，将出口边界设在距离人口边 界6 0m m 处。几何模型采用结构化四边形网格进 行划分。 。一ir ] ～抖嗣悼艘抖用悼才群 兰，_ ／7 一⋯i 一一一_ 一 0 b ‘二二二二二二I - 二二二1 二二 j ，I ’r ～ ＼ ’, R № 图3 几何模型及网格划分示意图 F i g3 G e o m e t r i cm o d e la n dm e s hg e n e r a t i o n 2 ．2 数学模型 2 ．2 ．1 宾汉流体本构方程 乳化炸药为非牛顿流体，其流体性表现为宾汉流 体o i 。宾汉流体剪应力与剪切率的关系可表示为 r2 ％ p 詈 1 式中7 “ 0 为屈服应力或极限剪应力舭为宾汉流体的 粘度。当流体受到的剪应力大于宾汉流体极限剪应 力时，即会发生流动。 2 ．2 ．2 湍流模型控制方程 采用应用较为广泛的R N Gk s 湍流模型，其 湍动能与耗散率方程为 盟0 t 掣O x 爿O x ‰势O x G m s 。．L P “ J ‘。 ． 2 掣 掣 毒卜脚尝卜字皖一锄譬 3 式中，p 谚 p 胁，“ p q { ，C - q 。一 掣，叩 c z E 。E 。，1 “告，E 。 号 筹’簧 ，q 0 ．0 8 45 , C i g a ，乞 - a I “。1 ．3 9 ，可o 4 ．3 7 7 ，卢 O ．0 1 2 。 由于质量源的质量传递。 2 动量方程 混合模型的动量方程可以通过对所有相各自的 动量方程求和来获得。它可以表示为 j _ ． 一 号 p 。‰ V 。 P 。”。Ⅳ。 一V P v [ p 。 吐 v - - ％- t - T ] p i 7 V ∑n 蔬五。 5 k 2 】 式中n 是相数；F 是体积力；肛。是混合粘性；“。I 是 第二相k 的漂移速度。 2 ．3 边界条件 入口边界条件类型采用速度入口，知乳化炸药 混装车装药速度约为6 0k g ／m i n ，经折算，取切向人 口速度v o I ．2m ／s ，出口边界条件类型为压力出 口，出口压力等于1 个标准大气压。 孔壁面设为无滑移边界条件，对近壁区域的处 理采用F L U E N T 中默认的标准壁面函数法计算边界 附近的湍流参数。 2 ．4 网格划分与数值计算 利用F l u e n t 前处理器G a m b i t 对所建立的模型 进行网格划分。应用有限差分法和交错网格离散控 制方程组，采用s i m p l e 算法求解离散控制方程”1 。 对流项采用一阶迎风差分格式，将扩散项和对流项 的影响系数分离，使得方程绝对稳定。把相邻节点 的影响系数表示成对流分量与扩散分量之和，将对 流部分归入源项。 2 ．5 流体参数 计算域内的流动介质为清水及混装乳化炸药， 其中水的密度为9 9 8k s ／m 3 ，粘度为0 ．0 0 1P a s 。 流体力学参数经测试，得到乳化炸药密度为 12 5 0k s ／m 3 ，屈服应力值为4 6P a ，屈服粘度为 3 0 1 ．1P a s ，稠度系数取3 ，冥律指数取1 。 6 8 ，3 模拟结果及分析 式中G 。为由于平均速度梯度引起的湍动能产生； Ⅳ为动力粘度；“为湍动粘度；“。、口。分别为湍动能 k 和耗散率s 的有效湍流普朗特数的倒数；E 。为时 均应变率。 2 ．2 ．3 混合模型 1 连续方程 混合模型的连续方程 导 p 。 V p 五 r h 4 o ‘ 式中矗为质量平均速度；p 。为混合密度；r h 描述了 根据计算结果发现，炸药从输药软管射出进入 水中，在射流运动过程中，与周围水体之间存在速度 不连续的间断面，间断面不可避免的受到干扰而产 生涡旋，涡旋吸卷周围水体进入射流，同时不断移 动、变形、分裂，产生紊动，形成混合状态。吸卷和混 合的结果，射流范围扩大，轴心速度衰减。在射流场 中，乳化炸药从输药软管射出后，初始按自由射流规 律发展，但由于受到孔壁的限制，不久出现了与射流 方向相反的流动，进人流场的炸药一部分在射流作 用下继续向前运动，一部分随着周围水体回流。随 后，炸药到达孔底，由于受到迎头壁面的影响，射流 万方数据 4爆破 2 0 1 1 年1 2 月 开始冲击并附壁回转。 图4 给出了不同水位下炸药进入炮孔后与水的 混合状态。图4 a 表明，当L 0 ．2I T l 时．待流场内 稳定后，孔底边角处仍留有1 小块水团，药柱内留有 少量的小水泡，但基水上不影响药柱的连续性。 图4 b 表明，当L 0 ．5m 时，待流场内稳定后，7 L 内药柱仍留有水团不能往外排出。图4 c 、 d 分 别显示，当￡分别为07m 及1 ．0 ／Y I 时，乳化炸药不 能到达孔底，待流场内稳定后，孔底仍留有一段水 柱，水柱上部炸药与水呈混合状态，药柱不连续。 图5 为轴心线上乳化炸药的速度衰减曲线图。 数值计算结果表明，炸药入口速度为12m ／s ，炮孔 直径为9 2m m 的条件下，乳化炸药射流有效射程约 为0 ．5 ～0 ．6m 。人水后，乳化炸药轴心速度随着装 4 小结与建议 00 400 80 1 2 0 1 602 002 4 P o s i t i o n l m c L 07 m 药面的抬高，衰减加快，待装药面与输药管L 1 平齐 时，炸药速度人口有效射程约为01 8 ～0 ．2 5m 。 酗i 0 1 悬 簿器[rLO．7 m 图4 不同水深炸药与水的混合状态 P h a s e 一1 为乳化炸药 F i g 4M i x e ds t a t eo fe x p l o s i v ea n dw a t e ra td i f f e r e n t w a t e rd e p t h P h a s e li se m u l s i o ne x p l n s i v e P o s i t i o n h n f b l L 06 m 00 10 2 030405 0 6070809 10 P o s i t i o n l m f d l ￡ 10 m 图5 不同水位轴心速度衰减曲线图 F i g 5A x i a lv e l o c i t ya t t e n u a t i o nC H i V ea td i f f e r e n tw a t e rd e p t h 通过对水孔装药过程的模拟试验及数值分析， 可得到以下结论 1 炸药从输药软管射出进人炮孔中，形成受 限空间射流。在射流初始阶段，按自由射流规律发 展，由于受到孔壁的限制，流场随即出现了与射流方 向相反的流动。随后，炸药到达孔底，由于受到孔底 壁面的限制，射流冲击并附壁回流。 2 在射流的有效射程内，孔内积水基本完全 被排出，但仍有少量水泡夹杂在药柱中。 3 随着乳化炸药面的抬高，乳化炸药有效射 程降低，这是由于乳化炸药的粘度较高，粘滞性作用 较大，轴心线上炸药速度衰减较快。 4 当孔内水深大于射流的有效射程时．F h 于 空问受限，有效射程以下的孔段受到的扰动较小，炸 药不能到达，在孔内形成上部药柱连续，中部为炸药 与水混合，而下部只有水的混合状态。由此可建议， 水孔装药时，装药车输药软管r I 与孔底的距离应控 制在装药射流的有效射程内。 下转第1 9 页 一t量1％{s专E儿．掌量i‘0 一_E譬一．～≈￡B‰，e_B看b_8毫 一；i_，-％置崔l￡善喜oo＆ 0 0 0 1 l l l O 0 0 0 O 0 0 0 0 一 一 一 一 e P e e c e e e 帅 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 帆 1 ● ● 8 6 4 2 0 一t．￡≤一，t{{}∞j{b-g銎 万方数据 第2 8 卷第4 期程康，苏微倩，张桂涛，等空气间隔装药技术周边孔间距对爆破效果的研究 1 9 上接第1 4 页 模拟试验及数值模拟都未考虑炮孔壁面粗糙度 对流场的影响，在今后工作中，将做进一步研究。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 熊代余，秦虎，任小民，等．采用散装乳化炸药提高 金堆城露天矿爆破、生产效率[ J ] ．矿冶，2 0 0 4 ，1 3 4 l - 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