径向不耦合条件下导爆索起爆性能的研究.pdf
第3 0 卷第1 期 爆破 V o l 3 0 N o I 2 0 1 3 年3 月 B L A S T I N G M a r .2 0 1 3 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 3 .0 1 .0 2 5 径向不耦合条件下导爆索起爆性能的研究 陈震1 ,史秀志1 ,胡海燕1 , 2 ,胡建华1 1 .中南大学资源与安全q - 程学院,长沙4 1 0 0 8 3 ;2 .万宝矿产有限公司,北京1 0 0 0 5 3 摘要针对径向不耦合装药条件下导爆索起爆炸药拒爆现象,提出导爆索与炸药之间可能存在的空气间 隙是影响导爆索起爆性能的关键因素,从而进行了一系列在不同外径钢管内径向不耦合装药条件下,导爆索 起爆乳化炸药简化模型的爆炸试验。并且运用有限元软件A N S Y S /L S D Y N A 对试验模型进行数值建模分 析。结果表明不耦合装药条件下,导爆索起爆乳化炸药的临界空气间隙尺寸约为2 5m m ;以乳化炸药冲击 波感度为判据,模拟计算出的空气间隙尺寸范围与爆炸试验结果比较吻合。 关键词导爆索;起爆性能;径向不耦合;爆炸试验;数值模拟 中图分类号0 3 8 2 .4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 1 2 0 1 3 0 l 一0 1 0 4 0 6 S t u d yo fD e t o n a t i o nP e r f o r m a n c eo fD e t o n a t i n gC o r d u n d e rR a d i a lD e c o u p l eC h a r g eC o n d i t i o n C H E NZ h e n l ,S i l lX i u - z h i l ,H UH a i y a n l ”,H U 胁n h u a l I .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 1 2 ,C h i n a ; 2 .W a n b a oM i n e r a lC oL t d ,B e i j i n g1 0 0 0 5 3 ,C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt oe x p l o s i v em i s - d e t o n a t i n go fd e t o n a t i n gc o r du n d e rr a d i a ld e c o u p l ec h a r g e ,t h ea i rg a p b e t w e e nd e t o n a t i n gc o r da n de x p l o s i v e sw a sap o s s i b l e l yk e yf a c t o rt oi n f l u e n c et h ed e t o n a t i o np e r f o r m a n c eo fd e t o n a - t i n gc o r d .As e r i e so fs i m p l i f i e dm o d e lo fe x p l o s i v et e s t so ne m u l s i o ne x p l o s i v ea r o u s e db yd e t o n a t i n gc o r du n d e rr a d i a ld e c o u p l ec h a r g ec o n d i t i o ni nd i f f e r e n td i a m e t e rs t e e lt u b e sw e r ec o n d u c t e d ,a n dt h ep r o c e s sW a ss i m u l a t e dw i t h s o f t w a r eA N S Y S /L S - - D Y N A .R e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec r i t i c a la i rg a pb e t w e e ne m u l s i o ne x p l o s i v ea n dd e t o n a t i n g c o r du n d e rr a d i a ld e c o u p l ec h a r g ec o n d i t i o ni sa b o u t2 5m m .T h ea i rg a pr a n g ef r o ms i m u l a t i o nf i tt h ee x p l o s i o nt e s t r e s u l t sw e l l . K e yw o r d s d e t o n a t i n gc o r d ;d e t o n a t i o np e r f o r m a n c e ;r a d i a ld e c o u p l e ;e x p l o s i v et e s t ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 导爆索具有爆速高、传爆性能好、可起爆较为钝 感的炸药和不受爆破环境杂散电流影响等优点,大 量应用于露天和地下矿山深孔爆破、预裂爆破和光 面爆破等爆破工程的炸药起爆中⋯。这些爆破工 程常采用轴向和径向不耦合装药结构,用以减少爆 破振动、延长爆破作用时间和保护采场边帮、切 口【2J 。其中采用径向不耦合装药结构导爆索起爆 收稿日期2 0 1 2 1 0 1 4 作者简介陈震 1 9 8 7 一 ,男,硕士研究生。主要从事采矿工艺及 爆破方面的研究工作, E .m a i l i r w i n c h a n 1 2 6 .c o r n 。 方式有可能产生盲炮事故,影响作业人员的人身安 全和爆破效果,原因是导爆索和炸药药卷逐次下放 到炮孔的过程中,有可能使得导爆索和炸药药卷不 接触,即它们之间存在空气间隙,空气间隙超过一定 尺寸将会导致炸药拒爆。因此,有必要进行当导爆 索与被爆炸药之间存在空气间隙时,导爆索起爆炸 药可靠性的研究。 TNH a g a n 通过进行导爆索起爆铵油炸药的试 验,分析了导爆索威力、炮孔直径、导爆索在孔内位 置以及铵油炸药自身感度对导爆索起爆性能的影 万方数据 第3 0 卷第1 期陈震,史秀志,胡海燕,等径向不耦合条件下导爆索起爆性能的研究 响[ 3 ] 。贾虎、沈兆武为了研究金属导爆索的水声特 性,进行了水下爆炸压力测试,获得了导爆索水下爆 炸冲击波传播和衰减特性H ] 。白颖伟等通过柔性 导爆索输出性能测试,对导爆索爆速与爆压等性能 进行了研究“ J 。张玮模拟了导爆索水孔爆破的爆 破过程,研究了导爆索爆炸应力波在混凝土介质中 的传播∞j 。导爆索是否适用于爆破工程中,一般依 靠工程师的经验和现场试验来判断。对导爆索起爆 性能研究的文献并不多见。通过进行径向不耦合装 药条件下导爆索起爆乳化炸药的爆炸试验,并且运 用A N S Y s /L S D Y N A 对爆炸试验进行建模和数值 计算,探究孔管内导爆索起爆乳化炸药的径向殉爆 距离,分析导爆索起爆炸药的物理实质,确定径向不 耦合装药条件下导爆索起爆工艺的适用条件,进一 步促进导爆索在工程爆破中的广泛应用。 1 爆炸试验 爆炸试验可为工程爆破中导爆索起爆技术参数 的选取提供依据。为了能够在较少的试验次数下较 为准确地获得导爆索起爆乳化炸药的径向殉爆距 离,将爆炸试验分为初步试验和细化试验2 部分。 初步试验大致确定导爆索起爆乳化炸药的临界空气 间隙尺寸所在的范围。细化试验比较准确的确定导 爆索起爆乳化炸药的临界空气间隙尺寸。 1 .1 试验器材和方法 使用的试验器材以及试验方法如图1 所示由 于在炮孔中进行爆炸试验可操作性差,故采用钢管 代替炮孔来模拟起爆环境。根据一般的深孔爆破炮 孔直径尺寸,制作了外径为5 8m m 、7 3i n i n 、8 9m i l l 、 1 0 8m m 、1 2 7m i n 、1 4 6i n i n 、1 6 8m m 的7 种钢管,钢管 壁厚约为5i n m ,长度1m ,如图l a 所示。钢管内 壁下方固定乳化炸药药卷,药卷有西3 5 塑膜外壳包 装和自制咖3 2 、咖2 5 、咖2 0 塑料包装4 种,如图l b 所示。钢管内壁上方固定导爆索,试验过程中尽量 绷直导爆索,并且用支架将其支起,以防止导爆索中 间部分下垂影响试验结果。导爆索使用长延期导爆 管雷管引爆。 1 .2 初步试验结果及分析 径向不耦合装药条件下导爆索起爆乳化炸药性 能初步试验结果如表l 所示。 P .嘲孵曩霸囔翻嘲黑_ _ 飘鬈 蹩鬟蔫高囊毫铡 F 嘲嘲■曩裹■嘲嘲■耐誓二 圆 熙黑麓囊慧澜 豳豳鲨遴麓幽幽黼随琵筮奎遵。I a 不同外径尺寸钢管 b 不同直径乳化炸药药卷 c 试验方法 图l 爆炸试验器材及方法 F i g .1 E x p l o s i o nt e s te q u i p m e n ta n dm e t h o d s 表l 导爆索起爆性能初步试验结果表 T a b l e1P r e U m h u a ye x p l o s i o nt e s tr e s u l t so fd e t o n a i i n gp e r f o r m a n c eo fd e t o n a t i n gc o r d 外径1 6 8r a i n 、1 4 6m m 、1 2 7m m 和1 0 8i n l n 的钢 管内导爆索均无法引爆乳化炸药,炸药药卷仅发生 破裂、变形,如图2 a 所示;夕f 、径8 9m m 的钢管内乳 化炸药开始出现爆燃迹象,钢管内壁出现少量的黑 色油性物质,大部分炸药残留,如图2 b 所示;外径 7 3m m 的钢管内导爆索引爆乳化炸药,并且产生大 量的黑色油性物质,如图2 c 所示。初步试验结果 表明导爆索能够起爆乳化炸药的临界空气间隙尺 寸范围在2 2 3 8m m 之间。 万方数据 爆破 a 1 0 8 m m 钢管.6 3 5 药卷试验结果 hJ8 9 1 “ 1 1 1 1 3 钢管,咖3 5 药卷试验结果㈦7 3 m m 钢管,6 3 5 药卷试验结果 图2 初步爆炸试验结果 F i g .2P r e l i m i n a r ye x p l o s i o nt e s tr e s u l t s 1 .3 细化试验结果及分析 径向不耦合装药条件下导爆索起爆乳化炸药性 能细化试验结果如表2 所示。 外径8 9m m 的钢管内自制西3 2 乳化炸药有爆 燃迹象,钢管内壁出现少量黑色油性物质,残留少量 白色乳化炸药,如图3 a 所示;外径7 3m m 的钢管 内自制西2 5 乳化炸药爆燃,现场观测到爆炸声音 大,炮烟多,钢管内残留少量黑色油性物质;外径 7 3m m 的钢管内自制西3 2 乳化炸药爆炸,现场观测 到爆炸声音大,声响脆,炮烟少,钢管内残留微量黑 色油性物质,如图3 b 所示;外径5 8m m 的钢管内 导爆索完全引爆自制咖2 0 和咖2 5 的乳化炸药药 卷,现场观测到爆炸声音闷响,振动较大,炮烟较淡、 少,管道内壁几乎不见黑色油性物质,如图3 c 所 示。由于外径8 9m i l l 的钢管内自制西3 2 乳化炸药 未爆炸,可以推测出外径8 9m m 的钢管,自制西2 0 和咖2 5 的乳化炸药将不会爆炸,因此未进行这2 种 情况的爆炸试验,同理,可以推测外径5 8m I n 的钢 管,咖3 2 的乳化炸药一定爆炸,因此也未进行该情 况的爆炸试验。细化试验结果表明导爆索起爆乳 化炸药的临界空气间隙尺寸约2 5m m 。 2 数值模拟 有限元软件A N S Y S /L S D Y N A 是世界上最著 名的通用显式动力分析程序,特别适合求解高速碰 撞、爆炸和金属成型等各种非线性动力冲击问 题⋯,其丰富的材料库和真实可信的计算结果得到 工程应用领域的广泛认可。A N S Y S /L S D Y N A 可 以较好地模拟出导爆索爆炸冲击波的形成、传播以 及相互作用等复杂的过程,为研究径向不耦合条件 下导爆索起爆炸药的作用机理提供了新的思路和 方法。 表2 导爆索起爆性能细化试验结果表 T a b l e2P r e c i s ee x p l o s i o nt e s tr e s u l t so fd e t o n a t i n gp e r f o r m a n c eo fd e t o n a t i n gc o r d a 8 9m m 钢管,4 , 3 2 药卷试验结果 b 7 3m m 钢管,d , 3 2 药卷试验结果 c 5 8m m 钢管,q , 2 5 药卷试验结果 图3 细化爆炸试验结果 F i g .3 P r e c i s ee x p l o s i o nt e s tr e s u l t s 万方数据 第3 0 卷第l 期陈震,史秀志,胡海燕,等径向不耦合条件下导爆索起爆性能的研究 2 .1 建立数值模型 根据细化试验的试验器材以及试验方法,运用 A N S Y S /L S D Y N A 建立数值模型。模型由钢管、导 爆索、乳化炸药、空气4 部分组成。由于钢管长度远 大于钢管直径,并且导爆索、乳化炸药均采用线性装 药结构,故将模型转化为平面应变问题来处理,模型 厚度0 .5c m 。钢管外径取值8 .9c m 、7 .3c m 、 5 .8c m3 种,乳化炸药药卷直径取值3 .2c m 、 2 .5c m 、2 .0c m3 种,导爆索直径0 .6c m 。模型化 分网格如图4 所示。 爆炸动力学分析建模的单位 制通常选取c m g I x s J ’ z L j 熬麟 图4 数值模型 F i g .4 N u m e r i c a lm o d e l 模型采用六面体实体单元S o l i d l 6 4 。由于爆炸 是瞬间完成的,不考虑钢管和乳化炸药药卷被爆炸 冲击波挤压变形以及其材料中冲击波的透射等因 素,将钢管和乳化炸药设置为刚体,这些单元采用 L a g r a n g e 算法,可大幅的缩减计算机运算量。为了 避免计算过程中网格产生严重的畸变,导爆索和空 气单元采用共节点多物质A L E 算法。根据模型 的对称性,在模型的法向两个侧面施加Z 轴方向位移 约束条件,导爆索和空气的法向两个侧面施加无反 射边界条件,吸收剪切波和膨胀波。起爆点设置在 导爆索中心。 2 .2 材料参数及状态方程 钢管和乳化炸药采用M A T R I G I D 刚性材料模 型,其主要参数为密度7 .8g /c m 3 ,弹性模量2 1 0 1 1G P a ,泊松比0 .3 。 空气采用M A T _ N U L L 空材料模型,对于高压下 气体一般采用G R U N E I S E N 状态方程描述哺3 P o C 2 /x [ 1 一竽 肛一笋】 【卜 s - 。矿s 舟书,若可] 讹 掣 E 1 式中p 。为空气密度,g /e r a 3 ;C 为船一即曲线截距; y o 为G R U N E I S E N 参数;S 为峪一卯曲线斜率系 数;o r 为7 。的一阶修正系数;肛 p /p o 一1 ;E 为内能。 空气材料主要参数为p o 0 .0 0 1 2 7g /c m 3 ,C 0 .3 4 4 ,y o 1 .4 ,S l S 2 S 3 0 ,E 0 。 导爆索的主要成分是P E T N ,选用L S D Y N A 内嵌的P E T N 炸药材料模型M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N ,其状态方程J W L B 描述如下 p 私 一南 e 也y 等 c - 一舍 一” 2 A ∑A i A i y B 舡e 坷“” ∞ 3 式中y 为相对体积;E 为单位初始体积能量;A i 、置。、 A 小B 小R 小C 、∞为J W L B 状态方程参数。 P E T N 炸药材料以及J W L B 状态方程具体参数 如表3 所示一J 。 表3 导爆索材料及J W I L B 状态方程的参数 ’Table3P a r a m e t e r so fd e t o n a t i n gc o r dm a t e r i a la n de q u a t i o n so fs t a t eJ W L B 2 .3 模拟结果 2 .3 .1导爆索爆炸空气冲击波传播过程 图5 显示的是钢管外径为7 .3c m ,乳化炸药药 卷直径为3 .2C B 的数值模型中不同时刻的压强云 图。可以看出被爆炸药主要依靠导爆索爆炸产生 的空气冲击波来引爆,空气冲击波以柱面形式向外 传播,并在钢管内壁和乳化炸药表面进行反射和叠 加,最终随着时间的推移逐渐地衰减。 万方数据 1 0 8爆破 F 一蓍 Z 一’一u e t i m e 2 2 .4 1 斗S 图5不同时刻的压强云图 F i g .5 P r e s s u r ec o n t o u r so fd i f f e r e n tt i m e 2 .3 .2 炸药周围空气的超压 由于模型左右对称,在上述模型炸药右半圆边 缘顺时针方向等距捕捉1 3 个空气单元体,空气单元 体A 2 2 3 3 在乳化炸药最上端,即距导爆索最近的一 端,空气单元体M 2 7 1 7 在乳化炸药下端,即乳化炸 药与钢管相切的一端,观察它们的超压时程关系如 图6 所示。空气冲击波传播至乳化炸药上端表面之 后,反射、叠加的冲击波沿乳化炸药边界向下移,其 峰值超压不断的衰减。当冲击波传播至乳化炸药下 端时,与从钢管内壁反射的冲击波相叠加,其峰值超 压增大,但未超过乳化炸药最上端空气单元体 A 2 2 3 3 的峰值超压。并且通过观察其他的不同外径 钢管、不同直径乳化炸药组合的模型中炸药周围空 气的超压,发现也存在相同的现象。因此可以推断 在乳化炸药周围,最上端空气单元体的冲击波超压 峰值最大。 2 .3 .3 不同模型中炸药最上端单元空气的超压 与细化试验相同,采用8 .9c m 、7 .3c m 、5 .8c m3 种不同外径的钢管与3 .2c m 、2 .5 c m 、2 .0c m3 种不 同直径的乳化炸药药卷进行正交组合建立6 组模型, 记录模型中炸药最上端空气单元处的冲击波超压峰 值如表4 所示。汪旭光院士提出乳化炸药的冲击波 起爆判据为尸2 丁介于1 3 1 0 1 2 。3 5 1 0 1 2 之间‘9 | 。宋 锦泉等以空气冲击波波正面压力作为起爆乳化炸药 的判据0 I ,进行了乳化炸药冲击波感度试验,得出起 爆乳化炸药的临界冲击波感度约为2 .5G P a 。通过6 组模型中炸药最上端空气单元超压峰值与乳化炸药 的临界冲击波感度的比较,发现导爆索起爆乳化炸药 的空气间隙尺寸介于2 .5 3 .2c m 之间。 3 结论 1 钢管内径向不耦合装药条件下,导爆索与 乳化炸药之间的空气间隙超过一定的尺寸将导致炸 药拒爆。在试验现场,通过观察爆炸声音、炮烟、地 面振动以及爆炸残留物质等方式判断炸药是否引 爆,得出导爆索起爆乳化炸药的临界空气间隙尺寸 约为2 5m m 。 2 模拟图像显示,被爆炸药主要依靠导爆索爆 炸产生的空气冲击波来引爆。随着导爆索与炸药之 间空气间隙的减小,作用于炸药的空气冲击波峰值超 压增大,并且以乳化炸药冲击波感度为判据,得出导 爆索起爆乳化炸药的空气间隙尺寸介于2 .5 3 .2c m 之间,数值模拟结果与爆炸试验结果比较吻合。 万方数据 第3 0 卷第1 期 陈震,史秀志,胡海燕,等径向不耦合条件下导爆索起爆性能的研究 1 0 9 表4 导爆索起爆性能数值模拟结果表 T a b l e4N m n b e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fd e t o n a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed e t o n a t i n gc o r d 参考文献 R e f e r e n c e s 于亚伦.工程爆破理论与技术[ M ] .北京冶金工业出 版社,2 0 0 7 . 朱红兵.空气间隔装药爆破机理及应用研究[ D ] .武 汉武汉大学,2 0 0 6 . 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