宽孔距爆破法数值模拟及破岩机理分析.pdf

第2 9 卷第4 期 2 0 1 2 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．4 D e c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 1 4 ．0 1 0 宽孑L 距爆破法数值模拟及破岩机理分析 张鑫，舒大强 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉4 3 0 0 7 2 摘要运用数值计算方法研究了台阶爆破中常规孔距与宽孔距的应力场分布与破岩机理。由模拟结果 可知，当密集系数为1 ．0 或3 ．7 以上时，孔间应力叠加效果并不好。而密集系数在1 ．7 3 ．7 之间时，孔间应 力分布均匀，叠加效果较好，这是有利于岩体破碎及减少大块率的。 关键词 宽孔距爆破；密集系数；数值模拟；破岩机理 中图分类号7 r 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 2 0 4 0 0 4 2 0 4 N 姗e r i c a lS i m l l l a t i o na n dM e c h a I l i s mA n a l y s i so fR o c k F r a g m e n t a t i o no fW i d eH o l e - I l i s t a n c eB l a s t i n g z H A N Gx 讥．s H UD o q i 6 吼g s t a t eK e yL a b o r a t o r yo fw a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g i n e e r i n gS c i e n c e ， W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a A b s 咖c t T h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o di s 印p l i e dt or e s e a r c hs t r e s sd i s t r i b u t i o na n dm e c h a n i s m0 fr o c k f r a g m e n t 8 _ t i o no fb e n c hb l a s t i n gb e t w e e ne o H v e n t i o n a lh o l e d i s t a n c ea n dw i d eh 0 1 e - d i s t a n c e ．T h es i m u l a t e dr e s u l t s s h o wt h a ts t r e s ss u p e r p o s i t i o nb e t w e e nh o l e si si n e 如c t i V ew h e nb u r d e n - t o s p a c i n gr a t i oi s1 ．0o rh i g h e r t h 粕3 ．7 ． W h i l et h em t i oi s1 ．7t o3 ．7 ，s t r e s sb e t w e e nh o l e sd i s t r i b u t ee v e n l ya n ds u p e r p o s i t i o ni sf a v o r a b l e ，w h i c hi sc o n d u c i v et ob r e a k i n gr o c ka n dr e d u c i n gt h er a t i oo fb o u l d e r s 。 K e yw o r d s w i d eh o l e d i s t a l l c eb l a s t i n g ；b u r d e n - t o - s p a c i n gr a t i o ；n u m e r i c a ls i m u l a t i 帅；m e c h 肌i s mo fr o c k f r a g I I l e n t a t i o n 深孔台阶爆破是露天石料开采与岩体开挖最主 要的方法。在爆破过程中，通过孔网型式和孔网大 小的变化可取得经济合理的钻孔量并实现爆破块度 的有效控制。相对于传统的孔网型式与布置，近 3 0 年来在诸多领域工程实践中发现，当单孔装药负 担的面积相同或略有变化时，适当增大孔距而减少 抵抗线 孔距为2 ～8 倍抵抗线埘或排距6 ，即所谓 宽孑L 距爆破法，在提高岩石的破碎率J ，改善石料 开采的颗粒级配，尤其当岩体结构分布与走向恰当 时，在控制大块率 超径 方面表现出较好的技术经 收稿日期2 0 1 2 一0 4 一l l 作者简介张鑫 1 9 8 5 一 ，男，武汉大学水利水电学院硕士研究 生，主要从事水利水电工程施工技术方面的研究工作， E - m a i l z 1 8 x 1 9 8 5 1 2 6 ．c o m 。 济效益，因而在许多钻爆施工中得到应用口4J 。 对于宽孔距爆破法的研究，理论上的工作主要 是从临空面理论o 、几何学理论等方面进行破岩机 理的定性分析，对于爆破过程中的各向主应力分布 与相互作用的情况并不明确。而物理模型试验所使 用的材料多为水泥模块【5J ，难以实际模拟自然环境 中的岩体情况，较少考虑岩体结构和节理分布对于 爆破效果的影响。以往有关宽孔距爆破的研究论文 多是介绍工程实际应用，而对宽孔距爆破法深入的 破岩机理研究并不够。随着电子计算机及计算方法 的迅猛发展，将数值模拟方法应用于复杂的爆炸动 力学计算已有许多成功的实例，并取得了大量的研 究成果。结合宽孔距爆破法实际工程应用参数与工 万方数据 第2 9 卷第4 期 张鑫，舒大强宽孔距爆破法数值模拟及破岩机理分析 4 3 程情况，试图进行多种密集系数条件下的模拟，期 望进一步对宽孔距爆破法的破岩机理进行更深入的 研究。 1 宽孔距爆破法数值模拟及计算模型 1 ．1 数值模拟原理 有限元法的基本思想是。6 j 将物体离散成有限 个简单单元组合，用这些单元的集合来模拟或逼近 原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简 化为离散的有限自由度问题。随着单元数目的增 加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。 大型商用软件A N s Y s ／L S D Y N A 在碰撞接触 分析、自适应网格划分、交互性图形处理技术、大应 变、有限转动动能分析等方瓦有着广泛的应用o 。 根据炸药爆破破岩过程的特点，数值模拟仿真采用 A N S Y S ／L s D Y N A 程序较为合适。模拟中的动力 平衡方程式为 [ 』l 扩] { 西。} [ c 。] { 五。} [ r ] { u 。} { r } 1 式中，[ 膨] 、[ c 。] 、[ r ] 、[ r ] 分别是单元的质量矩 阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量。分别对 [ 胪] 、[ G 8 ] 、[ r ] 、[ r ] 进行集成形成整个系统的 质量矩阵[ M ] 、阻尼矩阵[ G ] 、刚度矩阵[ K ] 和结点荷 载向量[ F ] ，相应得到整个系统的动力平衡方程为 [ M ] { 珏} [ C ] { 五} [ K ] { M } { F } 2 1 ．2 计算模型 本模型仅对单排双孔的情况进行模拟，多排多 孔情况待后续研究进行。按常规工程中所采用的钻 爆参数心4J ，计算模型取钻孔直径为1 0 0m m 的耦合 装药结构为基本研究对象。钻孔深度为1 0m ，装药 长度为6 ．5m ，堵塞长度为3 ．5m ，最小抵抗线为 3m ，通过调整孔距来进行不同密集系数条件下的 爆破模拟。模型的两侧、底部与后部边界设置为无 反射边界，模拟无限岩体，上边界与前边界设置为自 由边界。利用等效荷载的方法将爆破荷载施加在炮 孔壁上。计算模型如图l 所示。 b 平面图 图1 计算模型 F i g ．1 C a l c u l a t i 帆m o d e l 一岩石材料在爆炸冲击过程中涉及到材料的塑性 流动、硬化软化、损伤断裂、应变率效应等多方面力 学现象，与其静态行为完全不同。在数值模拟中，采 用岩石的弹塑性本构模型。岩石材料参数见表1 。 表1 岩石材料参数 T a b l e1M a t e a lp a r a m e t e 璐o f 瑚d b 数值模拟中的炸药荷载是由下式计算，再等效 施加在炮孔壁上。取炸药的密度为1 0 5 0k g ／m 3 ，爆 速为3 2 0 0 Ⅱ∥s 。作用在孔壁上的压力为 弘蒜 ㈩ 式中P 。为耦合装药时爆破荷载峰值压力；p 。为炸 药密度；D 为炸药爆轰速度；y 为炸药的等熵指数。 在模拟计算中，按孔径、孑L 深不变的条件，改变 炮孑L 孔距来计算孔问爆破应力场的均分希隋况。本 模拟分别对3m 、5m 、7m 、9m 、1 1m 、1 3m 、1 5m 这 7 种不同孔距。，即密集系数为m 口／6 1 、1 ．7 、 2 ．3 、3 、3 ．7 、4 ．3 、5 的情况进行分析。 2 数值模拟结果与机理分析 2 ．1 计算结果及解读 爆炸冲击荷载是导致岩石破坏的主要因素，由 于A N S Y S ／L S D Y N A 软件中没有反映岩石的M o - h r ．C o u l o m b 屈服准则和D m c k e P r a g e r 屈服准则的 分析参量，因此本模拟计算仅对第3 主应力进行分 析，即当第3 主应力达到岩石的屈服应力就认为岩 石受到破坏，并以此分析爆破岩体中应力场分布规 律及破碎特性。 万方数据 爆破2 0 1 2 年1 2 月 多孑L 同时爆破时，各孔产生的应力波在向外传 播过程中会有相互叠加等作用。此时岩石所受应力 分布情况受到两孔应力波传播的共同影响，与单孔 爆破时的应力分布情况有所不同，爆破破岩效果也 与单孔爆破时的破岩效果不同。当两孔距离改变 时，应力波的叠加状况与程度会逐渐变化，导致对岩 石的破碎也会产生不同的结果。 通过模拟计算，不同孔距条件下两孔间第3 主 应力等值线如图2 一图8 所示。 图2 3m 孔距 m 1 时第3 主应力等值线图 F i g ．2C ∞t o u rp I o to f 3 r dp l i n c i p a ls t r 鹊so f 3m m 1 图3 5m 孔距 m 1 ．7 时第3 主应力等值线图 F i g ．3C o n t o Ⅲp 1 0 to f3 r dp n c i p a ls t r 鹤so f 5m m 1 ．7 图4 7m 孔距 m 2 ．3 时第3 主应力等值线图 F i g ．4 C o n t o I l rp l o t0 f 3 r dp 西n c i p a ls t I e 鸽o f 7m m 2 ．3 2 ．2 孔间应力分布及破岩机理分析 根据模拟计算及解读图2 ～图8 ，对不同孔距条 件下的岩体破碎机理有如下认识 1 当爆破为常规孔距3m 密集系数m 1 时，两孔之间的应力波叠加效果并不好，两孔之间的 区域并不是应力最高的区域，表明这种叠加效果并 不利于岩体的破碎。 图5 9m 孔距 m 3 时第3 主应力等值线图 F i g ．5 C ∞t o u rp l o to f3 r dp r i n c i p a ls t r e s so f 9m m 3 图6 1 1m 孔距 m 3 ．7 时第3 主应力等值线图 n g ．6c c m t o Ⅲp l D t0 f 3 I dp 五n c i p a ls 嗡sc I fl lm m 3 ．7 图7 1 3m 孔距 m 4 ．3 时第3 主应力等值线图 F i g ．7 C D n t o u rp l o t0 f 3 I dp d m i p a lg t r 嘲0 f1 3m ，，l 4 ．3 图81 5m 孔距 m 5 时第3 主应力等值线图 F i g ．8 C ∞t o u rp 1 0 t 3 一研删p a l8 嗡so f1 5m m 5 2 当孔距为5m 、7 m 、9m 时，密集系数为 1 ．7 、2 ．3 、3 ，两孔间的应力波叠加情况与3m 时有明 显的差异，应力最高区域出现在两孔之间，且分布区 域较大。表明这3 种孔距爆破时，两孔之间的岩体 所受应力较高，有利于岩石的破碎。 3 当孔距继续增大到l lm 时，密集系数为 3 ．7 ，虽然最高应力区依然分布在两孔之间，但已经 有从两孔中心线处分离变小的现象，可以看出此时 万方数据 第2 9 卷第4 期张鑫，舒大强宽孔距爆破法数值模拟及破岩机理分析 4 5 的应力波叠加对岩石破碎依然具有有效性。 4 当孑L 距为1 3m 时，密集系数为4 ．3 ，两孑L 中 心线上的高应力区分离现象比1 1m 孔距时更为明 显，低应力区域面积变大，此时的应力分布已经不利 于两孔之间大部分区域内的岩石破碎了。 5 当孔距为1 5 m 时，密集系数为5 ，两孔之间 的高应力区分离现象更为严重，低应力区域面积进 一步增大，各孔应力分布类似于单孑L 爆破时的应力 分布，此时的应力分布已经明显不利于两孔之间的 岩石破碎，爆破效果并不好。可以预测到，若继续增 大孔距，两孔应力的相互影响会进一步变小，最终形 成两个单孔爆破的应力分布效果。 研究主要从应力波的分布来分析了宽孔距爆破 的破岩效果。实际爆破工程中，岩石破碎是一个复 杂的过程，影响因素重多。除了对两孔之间的影响 分析外，还应对排与排之间、临空面的布置等情况进 行分析。有研究表明旧‘1 1 | 当选择岩层倾向与台阶 坡面垂直方向作为爆堆推进方向时，大块率最小，能 较好的提高爆破效果。 3 结论 采用A N s Y S ／L S D Y N A 软件模拟了宽孔距法 在改变孑L 距时孔间应力的变化过程，并结合岩石爆 破的基本理论对爆破过程中应力场的分布和破岩机 理进行了分析 1 相对于常规爆破而言，适当增加爆破孔距， 爆破过程中两孑L 问分布着高应力区且区域较大，对 于破岩更有利。 2 当孔距进一步增加，两孔之间影响变小，接 近于单孔爆破。两孔中线区域内应力分布不利于破 岩。所以具有良好破碎效果的宽孔距爆破中孔距有 一个适当的范围，一味增加爆破孔距并不能取得更 好的爆破效果。实际工程也说明对于不同的地质条 件宽孔距爆破的最佳密集系数有所不同，密集系数 一般在2 ～4 左右时爆破效率较好。 参考文献 R e f e 阳眦e s [ 1 ] 张正宇，张文煊．现代水利水电工程爆破[ M ] ．北京 中国水利水电出版社，2 0 0 3 7 2 ．7 5 ． [ 1 ] z H A N Gz h e n g - 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