精确延时对台阶爆破岩石破碎块度影响的数值模拟研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 003 精确延时对台阶爆破岩石破碎块度 影响的数值模拟研究 ❋ 李顺波① 杨仁树① 杨 军② ①中国矿业大学北京力学与建筑工程学院北京,100083 ② 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京,100081 [摘 要] 为了研究精确延时间隔对岩石破碎的影响,利用有限元软件就不同延时间隔条件对岩石破碎的影响进 行了数值模拟研究 研究结果表明合理设定延时间隔利于台阶顶部岩石破碎块度控制,同时能够改善岩石破碎 块度分布情况 通过爆生气体和应力波关系的分析,计算得出的延时间隔和数值模拟结果较为接近;在本次数值 模拟中,延时间隔 6 ms、抵抗线 3 m,即延时间隔和抵抗线关系为 2 ms/ m 情况下有利于岩石破碎 [关键词] 岩石破碎;精确延时;数值模拟 [分类号] TD853 引言 随着数码电子雷管的诞生和使用,毫秒延时间 隔对爆破效果的影响越来越受到人们的重视,特别 是在爆破振动控制和岩石破碎这两个方面 数码电 子雷管具有延时精度高、延时间隔在 1 1 000 ms 范围内随意设定的优点,使得通过改变毫秒延时间 隔来控制岩石破碎块度成为了一种可能 国内外很多学者在这一方面进行了大量的尝 试,Stagg 等[1]通过试验得到了毫秒延时间隔 3. 3 ms/ m 时利于岩石的破碎;Otterness 等[2]通过大量 的实践得出毫秒延时间隔 3. 3 13. 0 ms/ m 时可以 使得大块率降低 12% 20 %;张乐等[3]通过对隆 芯 1 号数码电子雷管在德兴铜矿工业试验中的爆破 振动监测,发现应用数码电子雷管可以改善矿岩的 破碎度,提高综合经济效益 Paley 等[4]在美国 Red Dog Mine 中,采用精确 延时电子雷管将延时间隔 25 ms 缩短到17 ms;在普 通雷管的情况下,将岩石大块率增加 20 %;若采用 电子雷管,大块率则降低 30 %,这样能很好地改善 岩石破碎效果 Koenig[5]利用精确延时电子雷管, 将块度小于 500 mm 的岩石由原来的 57% 增加到 79%,同时块度大于 1 000 mm 的岩石由 27% 减少 至 5% Lewis[6]、McKinstry[7]等通过研究发现,利 用精确延时电子雷管可以取得良好的破碎效果 Batten 等[8]在 Newlands 煤矿中利用电子雷管改善 剥离岩体质量,提高了生产效率,取得了良好的经济 效果 Petropoulos 等[9]通过室内的模型试验,探讨 了不同延时间隔对岩石破碎的影响 Schill[10]通过 LS-DYNA 软件模拟了不同毫秒延时间隔情况下岩 石破碎形态 以上分析可以看出,精确延时间隔对岩石破碎 效果的改善已经受到越来越多学者的关注,同时通 过相关试验和现场实践,进一步验证了精确延时在 岩石块度改善方面具有优势 但是,目前对于毫秒 延时对岩石破碎影响的机理和毫秒延时间隔设定都 是不明确的 因此,本文从数值模拟角度出发,进一 步直观地揭示毫秒延时间隔和岩石破碎之间的本质 联系 1 理论分析 炸药在岩体爆炸时产生冲击波,后续产生应力 波并向远处传播,其在时间和空间上的发展形态如 图 1 中所示[11] 其中,“ + ”表示压缩波;“ - ”表示 拉伸波;ΛW表示波长;τW表示波传播 ΛW所需的时 间;σ 为应力;t 为时间;X 为距离 采用一维拉格朗日描述应力波在时间和空间上 的关系,如图 2 所示 其中,SE为 S 波横波拉伸 波;SF为 S 波压缩波;PE为 P 波纵波拉伸波;PF 为 P 波压缩波 由于 P 波和 S 波传播速度的不同, 因此,在同一距离处二者已经发生了分离 从图 2 中看出了 P 波和 S 波相互作用的区域的形成 .11.2016 年 6 月 精确延时对台阶爆破岩石破碎块度影响的数值模拟研究 李顺波,等 ❋ 收稿日期2015-10-27 作者简介李顺波1985 - ,男,博士,中国矿业大学北京博士后流动站从事岩石爆破理论方面的工作 E-maillshunbo@126. com a波长 b传播时间 图 1 应力波在空间和时间上的形态示意图 Fig. 1 Shape of stress wave in space and time 图 2 P 波与 S 波传播形态拉格朗日示意 Fig. 2 Lagranges chematic diagram for propagation form of P wave and S wave 进一步考察应力波之间的相互作用,两孔产生 的应力波的一维拉格朗日表示方法见图 3 1#、2#为 炮孔 1#和炮孔 2# 图3 中可以看出 S 波和 P 波在拉伸波和压缩波 之间形成的不同作用区域 若二者之间存在延时间 隔,孔 2#产生的压缩波和拉伸波将沿坐标轴纵轴向 上移动,形成新的作用区域范围,如图 3b中所示 在 t∗时刻 X∗处的 O∗点位于图 3a中,受到孔 1# 产生的 S 波压缩波、孔 2#产生的 P 波压缩波的作 用;同样,在图 3b中,O∗点受到孔 1#产生的 S 波 压缩波和孔 2#产生的 S 波拉伸波的作用 在同时 起爆情况下,O∗点受到压缩波的作用;在具有延时 间隔情况下,受到压缩波和拉伸波的作用,因此延时 间隔的存在,能够改变某一点的受力状态,从而能够 改变岩石的破碎效果 目前岩石爆破研究中,倾向于用爆生气体和应 力波相互作用的理论去解释岩石破碎机理 因此, 考虑到岩石裂纹和应力波的相互作用,同时设立图 4 中的坐标系 根据图 4 中的几何关系,可以得到 爆生气体到达 A 点所需要的时间 tg= 1 CgcosθX = 2B2+ L2 4 CgL X1 a同时起爆 b间隔时间为 Δt 图 3 两孔相互作用的一维拉格朗日示意图 Fig. 3 One dimensional Lagrange schematic diagram of the two-hole interaction 图 4 爆生气体和应力波相遇示意图 Fig. 4 Scheme diagram representing the interaction between gas flow and stress wave 其中tg为爆生气体到达 A 点所需的时间;Cg爆生气 体传播速度;B 为抵抗线;L 为孔间距 孔 2#产生的应力波到达 A 点所需要的时间为 tp= 4X2B2 L2 + L - X2 Cp + Δt2 其中Cp为纵波波速;Δt 为延时间隔 .21. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期 假设孔 1#产生的爆生气体和孔 2#产生的应力 波在 A 点相遇,在 X = L/4 时[12]取的极值,此时 Δt 可以表示为 Δt = B2+ L2 4 2Cg - 9L2 16 + B2 4 Cp 3 2 数值模拟 2. 1 数值模拟模型 数码电子雷管在实现精确延时控制的同时,也 实现了逐孔起爆 因此,数值模拟中主要探讨相邻 两个炮孔由于延时间隔的改变造成的影响 由于受 到计算机计算能力限制,建立如图 5 所示的小型数 值模拟计算模型 模型高度为 15. 0 m,炮孔直径为 200 mm,台阶顶部宽度为 10. 0 m,台阶底部宽度为 17. 5 m,台阶高度为10. 0 m,台阶长18. 0 m,装药高 度 7. 0 m,填塞长度为 3. 0 m,两孔间距为 6. 0 m,抵 图 5 台阶模型图单位m Fig. 5 Bench model unit m 抗线为 3. 0 m,台阶顶部和前部为自由边界,其他面 施加无反射边界 设定延时间隔分别为 0、2、4、6、8 ms 5 种情况 2. 2 数值模拟材料模型和参数 在 LS-DYNA 中,对炸药的描述一般采用 JWL 状态方程 由于炸药种类、密度等参数不同,其对应 的 JWL 状态方程的参数选取也有很大差别,爆轰压 力的状态方程 p = A 1 - ω R1V e - R1V + B 1 - ω R2V e - R2V + ωE V 4 其中p 是爆轰压力;E 是炸药内能;V 是当前相对体 积;A、B、R1、R2、ω 是 JWL 状态方程参数 2#岩石乳 化炸药的 JWL 参数,如表 1 所示 岩石和填塞材料用 RHT 模型进行描述,其强度 模型是通过引入 3 个极限面来实现初始的弹性屈 服面、失效面以及残余强度面 主要材料参数见表 2 其中G 为 Gruneisen 常 数;B0、B1、T1、T2为状态方程参数;A1、A2、A3为 Hagoniot 方程参数;A、N 为屈服面参数;Q0、B 为 Lode 角参数;Gc为压缩屈服面参数;GT为拉伸屈服 面参数;XI为剪切模量折减系数;D1、D2为损伤因 子;AF、NF为剩余面参数 3 个曲面解释了沿着不同的子午线强度的降 低,同时也解释了应变率效应 失效面,也就是岩石 最终强度,是由不同的材料参数组成,其中包括岩石 的压缩、拉伸、剪切强度 初始屈服面是有的用户所 表 1 炸药状态参数 Tab. 1 Status parameters of the explosive 密度/ g.mm -3 爆速/ mm.ms -1 A/ MPaB/ MPaωR1R2E/ J.m -3 1 10 -3 3 2001 1033. 18 1040. 047 983. 544. 268 109 表 2 岩石材料参数 Tab. 2 Parameters of rocks 密度/ g.mm -3 弹性模量/ MPa侵蚀塑性应变B0B1T1/ MPaAN 2. 414 10 -3 16. 7 1032. 01. 221. 223. 527 1041. 60. 61 抗压强度/ MPa相对剪切强度相对拉伸强度Q0BT2/ MPa参考压缩应变率/ %参考拉伸应变率/ % 351. 00. 30. 680 50. 010 503 10 -8 3 10 -9 破坏压缩 应变率/ % 破坏拉伸 应变率/ % 压缩应变率 指数 拉伸应变率 指数 拉伸体积塑性 应变 GCGTXI 3 10223 10220. 0320. 0360. 0010. 530. 70. 5 D1D2最小损伤剩余应变AFNFGA1/ MPaA2/ MPa 0. 041. 00. 011. 60. 6103. 527 1043. 958 104 A3/ MPa压溃压力/ MPa压实压力/ MPa多孔指数初始多孔性 9. 04 10323. 36 10331. 188 4 .31.2016 年 6 月 精确延时对台阶爆破岩石破碎块度影响的数值模拟研究 李顺波,等 输入的一部分数据沿着拉伸和压缩子午线的失效 面加上另一段曲线使整个曲线在孔隙压溃压力 值处封闭组成 典型的加载状况,见图 6 图 6 RHT 模型的极限表面和加载情况 Fig. 6 Extreme surface and load of the RHT model 模型在达到初始屈服面之前为弹性,超过后认 为有塑性应变出现 通过初始屈服面和失效面的差 值的方法,把结合了岩石硬化特性的塑性应变用于 形成有效屈服面 同样,当应力达到失效面时,加入 参数化的损伤模型来控制损伤演化,这个损伤演化 也是由塑性应变驱动的 通过失效面和剩余强度面 的差值,损伤演化继而表现了失效应力后的极限面 对于完全损伤材料,没有子午线或者应变率关系,剪 切强度只是在限制条件即正压力的情况下下才 存在 2. 3 数值模拟结果 图7中的整个台阶的破碎形态图中,在不同延 时间隔情况下,炮孔周围的破碎形态呈现不同的变 化范围,特别是在右侧炮孔的根部和顶部的变化形 态显著地不同 在两孔中间的台阶坡面位置上,图 7d中形成了两条接近连接的破碎裂纹,有助于岩 石破碎形态的分割 其他几种延时间隔情况下,只 有在上部形成一条破碎裂纹,并形成多个“孤岛区 域”,这就容易造成岩石块度的不均匀,不利于整个 岩石块度分布形态 右侧炮孔的底部右下角形 成的延伸裂纹区域,在2 ms和6 ms情况下较长;同时 在 8 ms 情况下,右侧炮孔底部形成一个对称区域, 可以看出不同的延时间隔对于整个炮孔区域的发展 具有重要的影响 图 8 给出了两炮孔连线中点处切面的损伤变化 情况,将损伤值大于 0. 7 的区域进行删除后形成图 8 中的区域范围 从图 8 中可以看出,随着延时间隔的增大,在台 阶上部范围内的预留面积存在先减小而后增大的过 程,延时间隔 0 ms 时刻的上部面积最大,6 ms 时刻 的上部面积最小 在台阶中部范围内,延时间隔 2 ms 时刻在后部和前部都形成较大的预留区域,其他 情况只是在前部范围内出现较大的预留区域 延时 间隔 4 ms 和 6 ms 两种情况下,在台阶中部的后部 位置的预留区域的面积变化较为均匀;在台阶的中 后部位置,延时间隔 0 ms 时刻的预留区域面积较小 [图 8a中圆圈位置],存在一些过度破碎的情况 在台阶的底部,随着延时间隔的增大,根底的变化存 在较小的差异 a0 ms b2 ms c4 ms d6 ms e8 ms 图 7 台阶整体破碎形态图 Fig. 7 Bench fragmentation .41. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期 a0 ms b2 ms c4 ms d6 ms e8 ms 图 8 两炮孔中点处切面 Fig. 8 Section in the middle of two blast holes 为了更直观地考察延时间隔对岩石破碎的影 响,将图 8 的预留区域的面积进行了统计,两炮孔中 点切面剩余的面积如图 9 所示 图 9 两炮孔中点切面剩余的面积 Fig. 9 Remaining area of the section in the middle of two blast holes 从图 9 可以看出,延时间隔 0 ms 时刻的预留面 积最小,延时间隔 4 ms 时刻的预留面积最大,延时 间隔 2 ms 时的预留面积次之,延时间隔 6 ms 和 8 ms 时的预留面积差别不是很大 在图 9 中,预留面 积最小值与最大值相差 10% 从而可以看出,合理 的毫秒延时间隔可以较好地改善岩石破碎情况,同 时大幅降低岩石的破碎块度比例范围,对于台阶上 部的岩石破碎情况有一定的改善作用,从而降低大 块的产生 根据文献[12] 给出的爆生气体速度 Cg=300 m/ s,Cp=4 000 m/ s,利用公式3计算出 延时间隔约为 5. 77 ms,这和数值模拟在 6 ms 的情 况较为吻合 图10给出了两孔顶部连线中点处图 5 中 E 点的损伤值随着时间变化关系 从图10可以看 出,具有延时间隔的情况下,随着两孔间的延时间隔 增加,损伤值变化在前期较为一致;同时,4 ms和 6 ms 两种情况的损伤变化曲线出现了重叠,说明二者 的损伤值随着时间的变化差别较小 图 10 两孔顶部连线中点处损伤曲线 Fig. 10 Damage curves at the middle point of the two holes on the top of the line 3 结论 利用一维拉格朗日波形理论,直观地揭示了延 时间隔能够改变岩石中某点的受力状态,并通过对 不同延时间隔情况下的台阶爆破进行数值模拟,进 一步明确了延时间隔对于岩石破碎具有较大的影 响 合理设置延时间隔对改善台阶上部岩石破碎情 况具有重要的影响,同时可以避免岩石过度破碎,进 一步优化岩石破碎块度比例范围 对在文中所采用参数的情况下的数值模拟结果 进行分析,同时,通过爆生气体和应力波关系计算出 的延时间隔和数值模拟得出的结果较为接近,有利 于岩石破碎的延时间隔为 6 ms,其与抵抗线的关系 为 2 ms/ m 参 考 文 献 [1] STAGG M S,RHOLL S A. 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Materials Transactions,2004,451722- 1730 Numerical Simulation of the Impact of Precise Time Delay on Rock Fragmentation in Bench Blasting LI Shunbo①, YANG Renshu①,YANG Jun② ①School of Mechanic & Civil Engineering, China University of Mining & Technology Beijing Beijing, 100083 ②State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology Beijing, 100081 [ABSTRACT] In order to study effects of the precise time delay interval on rock fragmentation, the finite element soft- ware was used to simulate the rock fragmentation under different time delay intervals. The results show that the reasonable delay time setting is advantageous to control the rock fragmentation on top, and can improve the fragmentation distribution of rock. Through the analysis of the relationship between stress wave and detonation gas, it is found that the results of delay interval time is close to those of numerical simulation. The delay time interval is 6 ms,and the resistance line is 3 m. And when the relationship between delay time interval and resistance is 2 ms/ m, it is conducive to the rock fragmentation under this numerical simulation. [KEY WORDS] rock fragmentation; precise time delay; numerical simulation .61. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期