基于预裂成缝对爆破参数拟合的数值模拟分析.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 1 2 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9 N o ．1 M 盯．2 0 1 2 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 2 ．0 1 ．0 0 3 基于预裂成缝对爆破参数拟合的数值模拟分析水 戴兵，赵国彦 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要 通过A N s Y s L s D Y N A 软件对不同爆破参数条件下的预裂缝过程进行模拟，并对预裂缝的爆破效 果进行了计算分析，对几组符合爆破实际情况的线装药密度、孔间距、炮孔直径参数进行分析，回归推导出预 裂爆破线装药密度公式，并从模拟过程看出，预裂缝裂隙是先从孔壁开始形成并向中点发展，而不是应力波 干涉理论认为的裂缝首先从中点产生，并向两孔发展。为预裂爆破理论研究和参数的合理确定提供了一务 有效的途径。 关键词预裂爆破；预裂缝；爆破参数；数值模拟 中图分类号T D 2 3 5 ．3 7 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 o l 一0 0 1 0 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nA n a l y s i so fB l a s tP a r a m e t e r s M a t c h i n gb a s e do nC r a c k i n go fP r e - s p l i tB l a s t i n g D A I B i n g ，Z H A OG u o - y a n S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t ’1 1 l ep r o c e s so fp r e s p l i t t i n gw a ss i m u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tb l a s t i n gp a r a m e t e r sb y A N S Y S ／L S D Y N A ．a n dt h ee f f e c t o ft h eb l a s t i n gw a s , a l s oc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ．T h ep a r a m e t e r so ft h el i n e c h a r g ed e n s i t y ，t h eh o l es p a c i n ga n dt h eh o l ed i a m e t e rw e r ea n a l y z e di ns e v e r a lg r o u p su n d e rt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n d t h ef o r m u l ao fl i n ec h a r g ed e n s i t yo ft h ep r e - s p l i tb l a s t i n gW a sr e g r e s s e d ．A n di ti ss h o w nf r o mt h es i m u l a t i o np r o c e s s t h a tt h ep r e c r a c k sa r eb e g u nt of o r mf r o mt h eh o l ew a l la n dt h e nd e v e l o p e dt Ot h em i d p o i n t ，r a t h e rt h a nt h ep r e - c r a c k si sf o r m e df r o mt h em i d p o i n ta n dt h e nd e v e l o p e dt ot w oh o l e sf r o mt h es t r e s sw a v ei n t e r f e r e n c et h e o r y ．1 1 1 e s t u d yp r o v i d e san e ww a yf o rr e s e a r c ho fp r e - s p l i tb l a s t i n gt h e o r ya n dr e a s o n a b l ed e t e r m i n a t i o no ft h eb l a s t i n gp a r a m - e t e r s ． K e yw o r d s p r e s p l i tb l a s t i n g ；p r e c r a c k s ；b l a s tp a r a m e t e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 地下矿山使用控制爆破技术能有效控制采场轮 廓。回采过程中采场边界使用中深孔预裂爆破技术 能减少边界超挖和欠挖，保证采场轮廓的整齐，降低 矿石贫乏率，同时由于预裂缝的存在可以明显减少 收稿日期2 0 1 1 0 9 2 9 作者简介戴兵 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生，主要从事采矿工程、岩 土工程等方面的研究r 【作， E m a i l 5 2 2 4 8 0 1 2 4 q q ．c o m 。 通讯作者赵围彦 1 9 6 3 ～ ，男．湖南沅江人，博、教授，从事采矿 工程、矿山安全和岩石力学与工程方面的研究工作， E m a i l 3 1 2 9 2 9 1 2 2 q q ．c o r n 。 基金项目国家重点基础研究发展计划 ”9 7 3 “计划 项目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 2 ；国家重点实验室开放基金资助项目 S K L G - D U E K 0 9 0 6 爆破振动对保留岩体的损伤。预裂缝的存在多大程 度上减小了爆破振动与能量，很难通过现场试验定 量的确定，一般采用预裂缝减振定性效果分析较多。 蔡路军等对预裂爆破减震机制及效果进行了分 析⋯；张豁等通过对地震波通过不同宽度预裂缝传 播规律的数值模拟分析嵋J ，并对预裂缝的减振效果 进行了量化分析，了解预裂缝宽度对减振效果的影 响规律；卢文波等通过应力波与节理刚度描述的介 质界面模型来研究了预裂缝的隔振减振机制与减振 效果1 ；张志呈、肖正学等人结合爆破地震波的传 播特性，从波动理论方面对预裂缝减振机制与效果 万方数据 第2 9 卷第l 期戴兵，赵国彦基于预裂成缝对爆破参数拟合的数值模拟分析 进行了研究”1 ；张新民、舒大强、蔡路军等人在预裂 缝减振效果方面也做了大量工作。 但是实际测定的数据又有不确定因素，一方面， 预裂缝的宽度测定存在较大的误差，另一方面，爆破 振动监测仪器只能够监测离爆源一定范围之外的测 点位移、速度、加速度等参数．靠近预裂缝两侧的关 键部分只能够通过已有测点数据拟合后推算出其的 振动参数值，拟合值与实际情况存在误差’⋯。 数值模拟技术作为现代科学技术的有效工具． 在矿岩爆破机理研究和爆破设计中可以发挥更大的 作用，采用【s D Y N A 软件建兜预裂爆破成缝模 型，通过预裂爆破效果好的参数模型拟合出试验采 场预裂爆破合适参数匹配公式。 l 预裂缝成形数值模拟 1 ．1 材料模型的选择 矿体本构模型采用随动塑性 与应变率相关 材料模型。材料本构定义为3 号材料 M A T _ P L A S T I C K I N E M A T I C 。岩体的破坏准则取决于岩体的 性质和实际的受力状况，岩体爆破粉碎区是岩体受 压所致，非粉碎区则是以受拉破坏为主，柱状药包爆 破时，炮孔周围的单元受到了不均匀的拉伸，矿岩单 元拉伸应力以炮孔为中心向周围呈递减梯度变化。 抗拉动载荷强度D r 。与静载荷强度口。满足口。 吼， 因此在非粉碎区模型破坏准则通过第一强度理论 最大拉应力理论 判断模型材料的失效。 1 ．2 岩石与炸药参数的选取 本模型分析的矿体岩石为黄铁绢英岩化花岗质 碎裂岩。I s D Y N A 程序描述高能炸药爆轰产物压 力一体积关系采用J W L 状态方程即 P A 1 一南 e 吨。 B 1 一黝e 吨。 节 1 式中A ，B ，R ．，R ，Ⅲ为材料常数；P 为压力；V 为相 对体积；E 。为初始比内能。本次预裂缝成形数值模 拟实验炸药采用2 号岩石乳化炸药，卷状2 号岩石 乳化炸药密度1 ．2 4g ／c m ’，爆速0 ．3 2c m ／u s ，k 3 ， 初始比内能E 。 0 ．0 7 时，拟合2 号岩石乳化炸药 J W L 参数。矿岩与炸药的参数表见表1 、表2 。 表1 矿岩物理力学参数表 ． T a b l e1 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k 垄整些 型 壁 21 1 1 竺生 兰坠型型塑坠 蓑魏慧篓z s e ，呲ss s ，m 硝 n ，s。s ．。s∽s 表22 号岩石乳化炸药参数 T a b l e2 2 p a r a m e t e r so fe m u l s i o ne x p l o s i v e 芝 s 竺2 堡 些 塑 生鱼璺鱼 1 ．2 432 0 014 1 ．91 03 ．60 ．0 3 87 1 0 9 1 ．3 网格的划分与边界条件的处理 岩石爆破预裂缝成缝有限元模型如图1 所示， 采用c I n - g - u s 单位制建模。通过L S D Y N A 前处理 程序生成准三维有限元网格模型。炸药和空气实体 单元 S 0 1 ．I D l 6 4 进行扫掠单元网格划分。炸药、空 气用A L E 算法进行计算，岩石使用l a g r a n g e 算法。 模型Y Z 、彪轴对称，所以取1 ／4 模型进行建模。模 型长宽尺寸为2 1 0c mx1 2 0c m ，模型厚度为 0 ．2c m ，模型有限元网格划分如图2 所示。 图1预裂爆破成缝模拟有限元模型 F i g ．1 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo np m - s p l i tb l a s t i n g 图2 模型部分有限元同格划分 r i s ．2 P a r t i t i o no f 画di np a r tf i n i t ed e m e n tm o d e l 万方数据 1 2爆破 2 0 1 2 年3 月 模型中Y Z 对称面进行U X 法向约束，X Z 对称 面进行U Y 法向约束，模型单元所有节点都进行U Z 法向约束。模拟预裂爆破在无限介质中爆破的情 况，上边界、左边界为无反射边界，不吸收膨胀波和 剪切波。炸药起爆点为炸药中心，0 斗s 时，两i L 同 时起爆。 2 数值计算和结果分析 预裂爆破最主要的参数为孔距。，线装药密度 q ＆，和体积不耦合系数K 。线装药密度决定了炮孔 装药体积不耦合系数，线装药密度与装药体积不耦 合系数是一一对应关系。根据孔距、线装药密度和 体积不耦合系数的理论计算值、经验公式和经验取 值范围建立了1 6 组预裂爆破成缝模型。影响预裂 爆破效果主要取决于3 个要素孔径、孔距和线装药 密度。预裂爆破分组的原则为在理论计算和经验 公式取值的范围了，确定2 个变量保持不变，改变另 外一个变量的方法经行分组。模型分组见表3 。 表3 预裂爆破成缝模型组 T a b l e3 G r o u po fm o d ei np r e - s p l i tb l a s t i n g 2 ．1 模型成缝模型数值计算 用A N s Y s L s D Y N A 软件建立1 6 组预裂爆破 成缝模型，经过计算机的计算运行，用坞一D Y N A 动力分析后置处理软件L S - - P R E P O S T 查看1 ～1 6 组预裂爆破数值模拟成缝情况。每个模型中分别取 8 0p ．s 、1 6 0 斗s 、2 3 0p ．s 和5 0 0W s 时间为预裂爆破成 缝观测点。见图3 一图1 2 由于版面有限在此只给 出了前1 0 组图 。 2 ．2 预裂爆破成缝模拟结果分析 根据1 6 组预裂爆破模拟成缝情况，其预裂爆破 模拟成缝分析见表4 。 _ _ _ ●。●●_ _ _ _ _ ●●- - _ _ _ _ ●- _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ _ _ _ _ ●- _ _ ●_ ●●_ _ _ _ ●- _ _ _ _ _ _ 一 ； ● ● ●● 目 } ；目； ； ；； 自 ；∞目目≈目 ●O口●口●O● 图3 模型1 不同时间预裂成缝情况 F i g 3 C m k i n go fp r e s p l i t t i n gi na td i f f e r e n tt i m e so l lr m d e l1 ■i 。‘‘_ - - - i i i i i i i i i i i i _ i i i i i i i i i i i i i i i i ；i ；；i i ；一 c●O -} 岩 口鲁●} c ●- o 一4 1 图4 模型2 不同时间预裂成缝情况 F i g ．4C r a c k i n go fp r e 5 p h U i n gi na td i f f e r e n tt i m e so nr m d e l2 r I I o d e I3 图6 模型4 不同时间预裂成缝情况 F i g ．6C r a c k i n go fp r e s p l i t t i n gi na td i f f e r e n tt i m e so nm o d e l4 1 从表4 可以看出1 6 组模型中，预裂爆破效果 好为第l 、第2 、第6 、第1 0 和第1 5 组，这5 组预裂爆破 成缝模型线装药密度、孔间距合适、预裂缝贯通、孔壁 和保留岩体损伤较小。通过5 组预裂爆破效果好的参 数拟合出试验采场预裂爆破线装药密度公式 万方数据 第2 9 卷第1 期戴兵，赵国彦基于预裂成缝对爆破参数拟合的数值模拟分析 1 3 oc}o●O O●1 j ●●●● ●●4● 图7 模型5 不同时问预裂成缝情况 n g7o 瑚k i 唱o fp 『e 叩b t 吨i na td i f f e r e n t 血r 瞄o l lm o d e l5 图8 模型6 不同时间预裂成缝情况 F i g ．8c r a c 咄o f 删峨i n a t ㈣妇O i l m o d e l 6 图9 模型7 不同时间预裂成缝情况 F i g ．9 C a - a c k i r go fp r e s p l i t t i n gi nm d i f f e r e n tt i m e sO l lm o d e l7 I 璺I1 0 模型8 不坷时同预裂成缝情况 n g1 0C r a c k i n ga fW e s l d i t t l n gi nm d i f f e r e n tt i m e s ∞m o d e l8 图1 1 模型9 不同时间预裂成缝情况 F i g1 I ‰k i l l go fp r e s p l i t t i 唱i na td i f f e r e n t6 I n e so nt w d e l9 图1 2 模型1 0 不同时间预裂成缝情况 F 碴1 2c №k i I l go fp r e s p l i t t i n gi na td i f f e r e n tt i m e s ∞r a x l e l1 0 表41 6 组模型预裂爆破成缝分析 T a b l e4A n a l y s i so np r e s p l l tb l a s t i n gi n1 6g r o u pm o d e l s 堡型塑呈塾丝 竺三 堕￡竺至塑鱼墨墼蕉垫宣鏖￡f 竺11 塑型墼墨坌堑鱼墨 177 0 1 9 1 02 4 9 ．2 药量合适、预裂缝贯通、岩体保护好合格 7 01 5 1 03 1 5 ．4 药量合适、四孔预裂缝形成较好 合格 7 0 1 2 ．2 53 8 6 ．4 药量偏大、预裂缝未贯通、粉碎圈偏大 不合格 7 0l O 1 04 7 1 ．1 药量大、预裂缝未贯通、粉碎圈大 不合格 6 01 5 ．1 03 1 5 ．4 预裂缝未形成不合格 8 01 5 1 03 1 54药量合适、预裂缝贯通、粉碎圈小合格 9 01 51 03 1 5 ．4 预裂缝未贯通、保留岩体损伤偏大 不合格 6 0j 22 53 8 6 ．4药量偏大、粉碎圈偏大、预裂缝未贯通不合格 8 01 2 ．2 53 8 6 ．4 预裂缝未贯通不台格 9 01 2 ．2 53 8 6 ．4预裂缝贯通、保留岩体损伤稍大合格 7 01 9 ．1 02 4 9 ．2 预裂缝未形成、粉碎圈较小不合格 7 01 9 ．1 0 2 4 9 ．2 预裂缝未形成、粉碎圈破坏较小不合格 7 01 9 ．1 02 4 92 预裂缝未形成、粉碎圈破坏较小不合格 7 0l O ．1 04 7 1 ．I 孔距小、粉碎圈破坏大、预裂缝未形成不合格 7 01 0 1 04 7 11 药量合适、预裂缝形成、孔壁破坏小合格 7 01 0 ．1 0 4 7 1 ．1 预裂缝未形成、孔壁破坏较小不合格 7 7 7 7 7 7 7 7 7 6 8 9 6 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 堙H ”埔 万方数据 爆破2 0 1 2 年3 月 △鲤 一16 3 9 ．5 14 1 3 ．9I n d 一2 5 ．1 a 0 ．1 8 95 0 2 2 式中△线为线装药密度，g ／m ；a 为孔间距，c m ；d 为 炮孔直径，c m 。 2 从预裂缝形成过程的不同时刻中可以看 出，预裂缝裂隙是先从孔壁开始形成并向中点发展， 而不是应力波干涉理论认为的裂缝从中点首先产 生，并向两孔发展。 3 结语 1 利用A N S Y S L S D Y N A 软件对不同参数下 的预裂缝进行了模拟计算，并通过5 组预裂爆破效 果好的参数拟合出试验采场预裂爆破线装药密度公 式，从而得到了各参数定量关系。 2 在模拟预裂形成过程中，在一定时间间隔 内炮孔之间的应力波叠加，应力波将在炮孑L 连线的 方向的炮孑L 壁处受到拉应力作用而形成裂缝，然后 在爆生气体的准静应力的作用下裂缝进一步向中心 扩展。 3 研究为以后预裂爆破的理论研究和预裂爆破 工程设计中爆破参数的确定提供了一种有效的途径。 [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 R e f e r e n c e s [ 6 ] [ 1 ] ．蔡路军，马建军．预裂爆破减震机理及效果分析[ J ] ． 中国矿业，2 0 0 5 ，1 2 5 2 2 - 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