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不同耦合介质对预裂缝减振效果影响研究 ① 张袁娟1,2,3, 王公忠1,2, 任少峰4, 李 梅5 (1.河南工程学院 安全工程学院,河南 郑州 451191; 2.河南工程学院 煤矿灾害预防控制实验室河南省高校重点实验室培育基地,河南 郑州 451191; 3.河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454000; 4.西南能矿集团股份有限公司, 贵州 贵阳 550004; 5.武汉理工大学 资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070) 摘 要 运用 LS⁃DYNA 建立了有限元模型,分别对预裂缝有水和无水 2 种露天矿台阶生产爆破进行了数值模拟,结果表明,距离爆 源越近,无水预裂缝减振效果越好;预裂缝有水工况与无水工况峰值振速相差比例最高可达 61%。 通过露天矿现场爆破振动监测 试验,验证了数值模拟得出规律的正确性,为现场预裂爆破和主爆区选取合理起爆时间差提供了理论依据。 关键词 预裂缝; 爆破; 数值模拟; LS⁃DYNA; 减振效果 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.02.005 文章编号 0253-6099(2015)02-0020-03 Influence of Different Coupling Medium on the Vibration⁃reduction Effect of Pre⁃split Crack ZHANG Yuan⁃juan1,2,3, WANG Gong⁃zhong1,2, REN Shao⁃feng4, LI Mei5 (1.Department of Safety Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, Henan, China; 2.Henan Province Universities Key Laboratory Breeding Base of Coal Mine Disaster Prevention and Control Laboratory, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, Henan, China; 3.College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China; 4.Southwest Energy and Mineral Resources Corporation Co Ltd, Guiyang 550004, Guizhou, China; 5.School of Resource and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China) Abstract Based on the finite element model established with LS⁃DYNA, numerical simulation was conducted respectively for the vibration⁃reduction effect of pre⁃split crack with and without water in the blasting of open⁃pit bench. It is concluded that pre⁃split crack without water while being closer to the explosion source will have a better vibration⁃ reduction effect, and the difference between the peak particle vibration velocity of pre⁃split crack for the work condition with and without water can be up to 61%. The monitoring data of blasting vibration on open⁃pit site verified the correction of the numerical simulation results, which can provide theoretical basis for selecting denotation time for pre⁃ split blasting and the main blasting area. Key words pre⁃split crack; blasting; numerical simulation; LS⁃DYNA; vibration⁃reduction effect 预裂爆破具有显著的降振作用,对预留边帮的稳 定性有重要意义,已普遍应用到露天矿生产爆破中,并 取得了显著的成果[1-4]。 预裂爆破先于主爆孔起爆, 因此,现场施工人员有时为了方便,通常将一个生产工 段的预裂孔先起爆,间隔几天进行常规生产爆破,然 而,碰到多雨季节,预裂缝中容易存储雨水,预裂缝狭 窄不易排除,且往往被施工人员忽视。 本文针对现场 施工管理存在的问题,运用大型动力显示分析软件 LS⁃DYNA 对预裂缝中空气和水的减振作用进行对比 分析,并通过现场爆破振动监测实验验证提出结论的 正确性,以期对现场施工管理提出理论指导。 1 数值模拟分析 1.1 炸药参数和控制方程选取 采用高能炸药模型 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN, 以及 JWL 状态方程,该方程是专为描述炸药等含能材 ①收稿日期 2014-11-02 基金项目 河南工程学院博士基金(D2013022);河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B440005);国家自然科学基金(51104111);郑州 市科技攻关项目(141PPTGG375) 作者简介 张袁娟(1983-),女,陕西渭南人,讲师,研究方向为爆破工程。 第 35 卷第 2 期 2015 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №2 April 2015 料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方程,其表达 式为 P = A(1 - ω R1V)e -R 1V + B(1 - ω R2V)e -R 2V + ωE0 V (1) 式中 P 为压力;V 为体积变化;R1,R2,ω,B 和 A 均为材 料常数;E0为初始比内能。 数值模拟中选用 2 号岩石乳化炸药,具体参数为 炸药密度 950 kg/ m3,炸药爆轰速度 3 600 m/ s,状态 方程中的各参数取值分别为E0= 4.5109,R1= 3.5, R2=0.9,ω=0.3,B=0.529109,A=47.6109。 1.2 水参数选取和控制方程 水是流体,选用 LS⁃DYNA 中的 MAT_NULL 材料, 采用 Gruneisen 状态方程,其表达式为[5-6] P = ρ0C2μ 1 + (1 - γ0 2 )μ - a 2 μ2 1 - (S1- 1)μ - S2 μ2 μ + 1 - S 3 μ3 (μ + 1)2 2 + (γ0+ aμ)E0 μ = ρ ρ0 - 1 (2) 式中 a 为 γ0和 μ = ρ ρ0 -1 的一阶体积修正量;γ0为 Gruneisen 常数;C 为剪切⁃压缩波速曲线截距;S1,S2和 S3均为剪切⁃压缩波速曲线斜率系数; ρ 和 ρ0分别为 材料密度和材料初始密度。 水参数选取见表 1。 表 1 水参数 密度/ (kgm -3 )粘滞系数C γ0S1S2 1 0001.20210 -3 1.6471031.41.921 -0.096 1.3 空气参数选取和控制方程 空气选用的是 LS⁃DYNA 中的 MAT_NULL 材料, 控制方程选用线性多项式状态方程,该状态方程可用 来模拟气体的动力学行为[7-8] P = C1 + C 2γ + C3γ 2 + (C4+ C5γ + C6γ 2)E γ = 1 V - 1 { (3) 式中 C1~C6均为常数;γ 为比体积;E 为内能与初始体 积之比。 空气参数选取见表 2。 表 2 空气参数 密度/ (kgm -3 )粘滞系数C γ0 1.25217.45610 -6 343.71.4 1.4 建模分析 建立计算模型,主爆孔直径90 mm,台阶高度10 m, 炮孔深度 10.5 m,其中超深 0.5 m,最小抵抗线 3 m,堵 塞长度 3 m,主爆孔距离预裂缝 3 m,采用耦合装药方 式,底部起爆,建模采用 m⁃s⁃kg 单位制,计算时间为 0 05 s,考虑到炸药产生的爆轰能量会以地震波的形 式在基岩中传播,因此模型底部建立 0.5 m 厚的岩石, 底部和侧面均设置为无反射边界,采用无反射人工边 界以达到减小计算模型、减少计算机计算时间和提高 计算精度的目的。 预裂缝宽度为 3 cm,超深 0.5 m,计算尺寸模型和 有限元模型及选取的模拟测点如图 1 所示,参照相关 文献选取岩石力学参数见表 3。 图 1 计算尺寸模型和有限元模型 (a) 预裂爆破剖面; (b) 有限元实体模型及选取模拟测点 表 3 数值计算中采用的岩石力学参数 弹性模量 / GPa 切线模量 / GPa 屈服应力 / MPa 岩石密度 / (kgm -3 ) 泊松比 37.44.5232 6000.3 2 模拟计算与结果分析 利用 LS⁃DYNA 中的爆轰过程模拟功能,即直接输 入炸药参数,通过炮孔内爆轰模拟和爆轰产物与孔壁 的相互作用来确定爆炸荷载[9-10]。 选取台阶坡顶线中 点的单元 103 787(19,21,1.5)为原点,垂直于坡顶线 依次以 10 m 为步距选取顶部台阶面上相应节点,选取 的节点如图 1(b)所示,提取 5 个节点垂直向、水平径 向和水平切向峰值振速,分析无水预裂缝和有水预裂 缝的相差比例,对应关系如表 4 所示,峰值振速典型历 12第 2 期张袁娟等 不同耦合介质对预裂缝减振效果影响研究 程曲线如图 2 所示。 表 4 数值模拟峰值振速结果 部位 节点 水平径向振速 / (ms -1 ) 有水无水 ηx / % 垂直向振速 / (ms -1 ) 有水无水 ηy / % 水平切向振速 / (ms -1 ) 有水无水 ηz / % 103787 0.1810.36650.50.1570.40260.90.00450.007842.3 101980 0.1520.28045.70.1300.26350.50.00330.005641.1 101863 0.1390.25244.80.1230.16726.30.00260.003933.3 101746 0.1320.23343.30.1100.14825.60.00200.002931.0 103777 0.1160.19239.50.0900.11219.60.00110.001526.6 图 2 峰值振速典型历程曲线 预裂缝有水和无水 2 种工况峰值振速相差比例计 算方法为 η = Vy - V w Vy 100%(4) 式中 η 为相差比例;Vy为有水工况各节点处爆破振动峰 值振速;Vw为无水工况相同节点处爆破振动峰值振速。 由表 4 可以得出,距离爆源越近,爆破振动峰值振 速相差越大,预裂缝无水的减振效果越好,反之有水预 裂缝减振效果差。 通过对 2 种工况数值模拟结果进行 对比分析可知,水平径向无水预裂缝和有水预裂缝相 差比例最大约为 51%,垂直方向上无水预裂缝和有水 预裂缝相差比例可达 61%,水平切向无水预裂缝和有 水预裂缝相差比例最大约为 42%。 3 现场测振实验 为验证有水和无水预裂缝在实际工况中减振效果 的不同,现场实验选择在 JDC 南露天矿进行,此露天 矿已形成 1 200 m 800 m 的露天矿坑和高度为 220 m 的高陡边坡,生产爆破采用直径 250 mm 的大孔 径大孔网参数,矿岩节理裂隙较发育,稳定性较差,临 近预留边坡采用了缓冲爆破和预裂爆破相结合的控制 爆破技术,现场测振分别选择在南露天矿平盘 1 和平 盘 2 进行,分别在天气干燥和大雨后的生产爆破中对 有水和无水 2 种工况进行爆破振动监测,2 种工况下 爆心距、高差和最大段起爆药量均相同,测振数据和 2 种工况相差比例分别如表 5 所示。 由表 5 可以看 出,垂直向的相差比例最大,相差比例随着爆心距增大 而减小,与数值模拟得到的规律一致。 结合表 4 分析 亦可得出,实测振动数据相差比例比数值模拟的小,这 是因为实际工况中岩体存在节理裂隙,而数值模拟中 岩体假设为均质同性体,且预裂缝中的水比数值模拟 中理想工况条件下少,故相差比例相较于数值模拟偏 小,但不影响其规律性。 表 5 现场爆破振动测试峰值振速结果 测点 部位 最大段起爆 药量/ kg 爆心距 / m 高差 / m 水平径向振速/ (cms -1 ) 有水无水 ηx / % 垂直向振速/ (cms -1 ) 有水无水 ηy / % 水平切向振速/ (cms -1 ) 有水无水 ηz / % 平盘 2-143056.3610103.101682.450327214.694903.239481313.308202.67964219 平盘 1-143074.8350101.882801.506240203.123922.374179244.417863.84353813 平盘 2-243083.0270102.774062.274729181.962101.569680202.306591.96060215 平盘 1-2430133.821101.066650.949319110.860540.697037190.709280.62416612 4 结 论 通过数值模拟论证了无水预裂缝的减振作用远远 大于有水预裂缝的,并结合现场爆破振动监测实验对 数值模拟提出的结论进行了深入分析,结果表明 1) 数值模拟结果表明,距离爆源越近,爆破振动 峰值振速相差越大,无水预裂缝减振效果越好,且数值 模拟可很好弥补测振仪器不能靠近爆源的不足。 2) 进一步论证得出,无水预裂缝和有水预裂缝相 差比例最高可达 61%,数值模拟过程中岩石被视为各 向同性的均质体,实际露天矿工况中岩石存在节理裂 隙,爆炸应力波在岩石中传播衰减得较快,故数值模拟 结果稍大于实测数据,但对相差比例变化的规律性无 影响,现场测振数据分析结果很好地验证了此结论。 3) 预裂缝中存在水介质会大大降低预裂爆破的 减振作用,尤其靠近预留边帮部位,由于数值模拟中选 取的是预裂缝中均匀充满水介质的理想工况,因此,现 场有水和无水工况下的相差比例比数值模拟的结果 小。 鉴于此,露天矿台阶爆破现场施工应掌握好预裂 爆破和主爆区之间的起爆时间差。(下转第 28 页) 22矿 冶 工 程第 35 卷 4 结 论 1) 6 个估算方案之间,由于不同的估值方式下每 次参与估值的块数不同,但参与估值的样品数和品位 相同,导致各品级区间内矿石量差距较大, Au 品位差 距较小。 2) 其他条件相同的情况下,不同估值方法,矿石 量估算结果基本相同,采用距离幂次反比法估算的平 均品位比普通克里格法偏高。 3) 采用分级搜索比一次搜索估值结果更准确。 采用不同的搜索方式对矿石量影响不大,对品级结果 和平均品位影响较大。 4) 采用各向异性距离考虑了空间样品品位分布 的各向异性,估算结果更准确。 5) 是否有次级分块影响总矿石量,有次级分块估 算结果更准确,误差更小,块段模型边界与实际矿体模 型更接近。 参考文献 [1] 李章林,张夏林,翁正平,等. 动态构建福建紫金山铜金矿矿体模 型[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2011,41(3)945-952. 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