水下钻孔爆破堵塞长度的数值模拟研究.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8 N o ．1 M a r ．2 0 1 l 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 1 ．0 1 ．0 2 5 水下钻孑L 爆破堵塞长度的数值模拟研究 梁禹1 , 29 吴 1 , 2 9 左清军1 ’2 ，蔡冻h 2 1 ．中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ．中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要结合长江太子矾航道炸礁工程，根据国内外水下钻孔爆破参数的经验公式，初步确定了该水下破 工程的堵塞长度。运用A N S Y S ／L S - D Y N A 软件，通过对不同堵塞长度参数的优化调整，对比分析得出了最佳 的堵塞长度为1 4 0e m 左右，与经验公式所给范围相同。以该值配合其他经验参数通过在现场试验验证发 现，爆破效果较好，取得了预期的效果。 关键词水下爆破；堵塞长度；数值模拟 中图分类号T V 5 4 2 ．5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 1 0 0 9 2 0 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fS t e m m i n gL e n g t hi n U n d e r w a t e rD r i l l i n ga n dB l a s t i n g L I A N GY u l ”，聊L i l ”，Z U OQ i n g - j u n l ”，C A I D o n 9 1 2 1 ．E n g i n e e r i n gR e s e a c hC e n t e ro fR o c k - S o i l E x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o nM i n i s t r yo f E d u c a t i o n ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．E n g i n e e r i n gC o l l e g e ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t C o m b i n e dw i t ht h er e e fb l a s t i n gp r o j e c ti nT a i z i j iR o u t ea n da c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a lf o r m u l af o r c a l c u l a t i n gt h es t e m m i n gl e n g t hf o ru n d e r w a t e rd r i l l i n ga n db l a s t i n g ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e dt h ei n i t i a lv a l u eo ft h e s t e m m i n gl e n g t I I ．T h e nt h eA N S Y S ／I ．．S - D Y N Aw a ga p p l i e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so ft h eu n d e r w a t e rb l a s t i n gt og e t t h eo p t i m u mv a l u e ，t h r o u t h ea d j u s t m e n to fd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e m ． K e yw o r d s u n d e r w a t e rb l a s t i n g ；s t e m m i n gl e n s t h ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 太子矶水道位于长江下游，地处安徽省境内，距 上游安庆市2 0k m ，左、右岸分别属安徽省枞阳县、池 州市管辖，平面形态为鹅头型分汊水道，为长江下游 碍航浅险水道之一。其东港中段有一大型礁石 太子矶礁石耸立江中，通航槽航道狭窄，重大海损事 故年年发生，给航运部门造成重大经济损失。工程拟 将太子矶水道东港中段长约2 5 0n l ，宽约1 0 0n l 的太 子矶礁石一次性炸至设计高程，以消除事故隐患，使 收稿日期2 0 1 0 0 6 1 7 作者简介梁禹 1 9 8 6 一 ，男，中国地质大学大学 武汉 工程学院 助教，硕士，从事地质工程与爆破相关研究方向， E - m a i l l y c u g y a h o o ．㈣．c n 。 太子矶水道东港中段的航道条件得到根本改善。 结合长江太子矶航道炸礁工程，根据国内外水 下钻孔爆破参数的经验公式，初步确定了该水下爆 破工程堵塞长度等爆破参数。运用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件，通过对不同堵塞长度参数的优化调整，对比分 析得出了最佳的堵塞长度。 1 堵塞长度的确定 1 我国关于堵塞值长度的经验公式 我国的爆破工作者在长期的理论研究和工作实 践中，总结出来堵塞值长度计算的经验公式为[ 1 ] d 0 ．8 1 ．0 形 1 万方数据 第2 8 卷第l 期梁禹，吴立，左清军，等水下钻孔爆破堵塞长度的数值模拟研究 9 3 式中d 为堵塞长度，I l l ；W 为最小抵抗线长度，n l 。 2 瑞典关于堵塞值长度的经验公式旧1 d W ／3 2 式中d 为堵塞长度，I l l ；W 为最小抵抗线长度，在本 例中形取2 ．5I T I 。 2 数值模拟 模拟以长江下游太子矶水道水下炸礁工程为实 例。该河段的河床除东港大部分右岸基岩裸露外， 其余部分都被中细砂和砾石组成的河流冲积物所覆 盖。模拟对象不考虑冲击物覆盖的影响。太子矶礁 石主要为灰岩，该岩石为细晶结构，块状构造，致密 坚硬，裂隙较发育，多为方解石脉填充。岩溶发育， 层面埋深相差较大。钻探岩心中出现大量竖向岩溶 裂隙及小型溶槽、溶沟，仅局部上部存在粘土及粘土 夹碎石层。场区岩溶虽较发育，但规模较小，对场区 稳定性没有影响。岩石坚硬程度为较硬岩，岩石坚 固性系数为1 2 ，基本质量等级为Ⅲ级。 岩石材料与炸药参数如表l 和表2 所示1 。 表1 岩石材料参数 13 0 0 炸药爆炸过程是一个高速化学变化过程，加之 水介质的流动性大，为了较好地模拟装药爆炸后岩 石的运动过程，算法上采用L S D Y N A 程序中的A L E 多物质算法。水材料采用M A T _ N U L L 材料模型，使 用E O S _ G R U N E l S E N 状态方程；炸药材料采用M A T H I G H E X P L O S I V EB U R N 材料模型，使用J W L 状 态方程；岩石材料采用M A T P L A S T I C K I N E M A T I C 模型‘引。 水下爆破过程受到岩石条件及水环境的影响， 模拟无法将各种影响因素考虑在内。为了方便建模 及模拟计算，采取的主要假设如下1 5J 1 水深为6 ．5 3i n ，为计算简便，加之工程现场 实际情况，不考虑水流动速度和空气对爆破作用的 影响； 2 研究各参数对爆破影响时，为减少运算量， 提高计算效率，模型采用1 ／4 对称模型； 3 岩石3 个表面设为无反射边界，其余表面为 对称面； 4 岩石材料屈服条件为M i s e s 屈服条件； 5 数值模拟单位采用c m ．g t r s ，模型尺寸与实 际工程尺寸比例为l 1 。 为保证堵塞效果，主要是选择合适的堵塞材料 和必需的堵塞长度，以获得堵塞物与炮孔壁之间所 必需的摩擦阻力。堵塞与否，堵塞长度的大小对爆 破作用应力场均会产生一定的影响。 2 ．1 建立计算模型 在模型就算过程中，保持装药长度 5 0 0c m 不 变、超深值 1 5 0c m 不变及装药密度不变。如图1 所示。 图1 模型尺寸图 单位e r a 依据不同的堵塞值分别建立模型，各模型参数 见表3 。 表3 模型参数 万方数据 爆破2 0 1 1 年3 月 模型中采用的岩石材料为灰岩，其力学性能参 数见表1 。炸药采用乳化炸药，其参数见表2 。模拟 爆破应力场效果图见图2 。 图2 爆破应力场效果图 2 ．2 模拟结果分析 依据模型所在坐标系，在Y 0 ，彳 7 4 9 ．5 处设 置一条时间记录线L 。依次在￡上选取与点 1 l ，0 ， 7 4 9 ．5 ， 2 2 ，0 ，7 4 9 ．5 ， 3 3 ，0 ，7 4 9 ．5 和 4 4 ，0 ， 7 4 9 ．5 相近的4 个点 N o d e ，并围绕这4 个点选取 4 个单元 E l e m e n t 1 8 9 0 6 号、1 8 0 8 7 号、1 7 9 9 6 号和 1 7 9 0 5 号。 模型1 一模型1 3 时间历程记录线上各记录单 元的最大M i s e s 等效应力见表4 。 表4 各模型时间历程记录线上各记录单元的 最大M i s e s 等效应力值 单位1 0 7 M P a 1 8 9 0 6 号、1 8 0 8 7 号、1 7 9 9 6 号和1 7 9 0 5 号单元 压力与堵塞长度的关系见图3 一图6 。 由表4 和图3 ～图6 可以看出，记录线位置各 点的最大M i s e s 等效应力值随着堵塞值的变化而变 化，但是存在一个临界的堵搴值，当堵搴值大于或等 于临界堵塞值时，最大M i s e s 等效应力值变化并不 明显。1 8 9 0 6 号和1 7 9 0 5 号的最大l V l i s e s 等效应力 值当堵塞值大于1 4 0c m 时呈下降趋势，1 8 0 8 7 号、 1 7 9 9 6 号单元的最大M i s e s 等效应力值当堵塞值大 于1 5 0c m 时呈下降趋势。在乳化炸药和灰岩的条 件下，选用1 4 0 ～1 5 0c m 之间的一个值为临界堵塞。 图31 8 9 0 6 号单元最大M i s e s 等效应力 随堵塞长度变化曲线图 董o ． 餐o ． 蔡o ． 重0 ． 窖 毒o ． 堵塞值，c m 图41 8 0 8 7 号单元最大M i s e s 等效应力 随堵塞长度变化曲线图 墨0 ． 善0 ． 巷o ． 较0 ． 絮0 ． 童0 ． 曩0 ． 略 堵塞长度／e r a 图51 7 9 9 6 号单元最大M i s e s 等效应力 随堵塞长度变化曲线图 图61 7 9 0 5 号单元最大M i s e s 等效应力 随堵塞长度变化曲线图 下转第9 7 页 l O 9 8 7 6 5 4 2 l 1 O 0 O O O O O O O O O O O O O O O O O O 0 O 者善R毯较珈8甚苫长嚼 万方数据 第2 8 卷第1 期张少光，徐建华，张波水井出水增量爆破技术研究与实践 9 7 y K 箐 4 式中y 为爆破引起的地面震动的最大速度，c n V s ；C 为一次齐爆的最大药量，k g ；R 为爆破中心至被保护 建筑物的距离，m ；K 为与土石介质有关的系数，对 于坚硬岩石取5 0 ～1 5 0 ；a 为衰减系数，对于坚硬岩 石取1 ．3 ～1 ．5 。国内在爆破地震的安全计算中，一 般砖房、非抗震的大型切块建筑物安全允许振速不 超过3c m ／s 。爆破前可根据装药和周围建筑物的 情况进行具体计算。 5 爆破实例 徐州某酒厂因建设需要开挖l 口径为6 2 2 0n l I l l 的水井。经钻井勘探岩层为砂岩，粒度均匀，硬度适 中，其中在9 6 1 3 7m 和2 1 5 ～2 3 6m 两段均为含水 层，这两段无大的明显裂隙，但有小裂隙，当时用焦 磷酸钠 N a 4 P 0 和活塞、压风机洗井抽水，出水量 才1 2t ／d 。为了增大出水量，分别在1 2 0m 、2 3 0m 处进行了井下爆破。 根据药量计算每个爆破点采用防水性能良好猛 度较高的军用T N T 炸药分别加工成2 个长度为2m 的直列装药，每个装药2 0k g ，同时把2 个电雷管并 联在爆破筒头部的T N T 药室上，并涂上沥青。在投 送炸药前将孔内砂粉打捞干净，采用尼龙绳将爆破 筒投送到预定爆破点，检查无误后人员撤离安全位 置后实施起爆。爆破后下钻捞砂、下风管、测管、抽 水。抽水测试结果表明，出水量达到2 7t ／d ，较原来 增加了1 5t ／d ，爆破效果良好。 6 结语 值得强调的是，水井出水增量爆破技术只能改 变岩层的渗透条件，并不能改变其富水性，所以爆破 法增水只是一种补救措施，但是爆破增水成本低，效 果好，对于一些出水量不足的水井采用爆破法进行 水井爆破增水不失为一种经济可行的尝试方法。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 刘玉成，张继成．深井中水下压缩爆破应用[ J ] ．煤矿 爆破，2 0 0 0 3 3 8 - 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6 2 ． 万方数据