郭云龍 李紀寶 孫崔源 康永全 薛里
1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國鐵路濟南局集團有限公司,濟南 250001
炸藥爆破技術(shù)使用范圍受限,液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)因具有能量利用率高、無明火、環(huán)保、振動弱、噪聲小等特點成為研究熱點。早在1914年英國Cardox 公司對液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)進行了研發(fā),主要用于地下采礦,避免因明火引起瓦斯爆炸。之后,該技術(shù)在歐美發(fā)達國家進一步推廣,用于管道疏通、地下工程掘進、露天礦開采等。二氧化碳相變爆破技術(shù)于20 世紀末傳入我國,雖然起步較晚,但發(fā)展迅速,目前已在地下采礦、煤層增透、瓦斯抽采、隧道掘進、露天采石等方面得到廣泛應(yīng)用。
在復(fù)雜敏感環(huán)境中,如城市建設(shè)項目、緊鄰鐵路的路塹開挖工程,如何安全高效開挖成為亟待解決的問題。采用炸藥爆破容易產(chǎn)生沖擊波、飛石、振動等,可能會對周圍建筑造成影響;采用機械鑿巖費用高,巖體堅硬嚴重影響效率,導(dǎo)致工期拖延[1]。液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)彌補兩者的缺點,與機械破碎相配合可用于復(fù)雜環(huán)境巖石爆破開挖,能夠保證施工安全,提高開挖效率,加快施工進度。
在液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體機理方面,陶明等[2]分析了液態(tài)二氧化碳相變致裂破巖機理,基于現(xiàn)場試驗和理論計算,得出液態(tài)二氧化碳相變爆破能量利用率比炸藥爆破高,也更環(huán)保;周科平等[3]通過室內(nèi)試驗和理論分析,探討了液態(tài)二氧化碳相變爆炸作用過程,推導(dǎo)了兩種常用的液態(tài)二氧化碳爆炸能量計算公式;董慶祥等[4]通過LS-DYNA 軟件對液態(tài)二氧化碳相變爆破混凝土試塊過程進行了模擬,并通過室外試驗驗證,得出采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆炸能量理論模型計算出的TNT 當量能夠代表液態(tài)二氧化碳相變爆破的能量。
在液態(tài)二氧化碳相變爆破應(yīng)用方面,周西華等[5]通過軟件模擬和現(xiàn)場應(yīng)用,得出控制孔的存在有利于擴大液態(tài)二氧化碳相變爆破范圍,有效提升煤層透氣性,提高瓦斯抽采量;趙丹等[6]利用有限元軟件對高瓦斯低滲透煤層中液態(tài)二氧化碳相變爆破過程進行了模擬,將模擬得到的優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用在煤礦區(qū),提高了煤層增透效果和瓦斯抽采率;夏軍等[7]從二氧化碳致裂設(shè)備、孔網(wǎng)參數(shù)等方面,分析了影響液態(tài)二氧化碳相變爆破效果的因素,認為充足的液態(tài)二氧化碳充裝量、良好的密封、合適的破裂片、可靠的起爆網(wǎng)路和優(yōu)化的孔網(wǎng)參數(shù)等能夠保證二氧化碳膨脹破巖效果;王軍等[8]通過工程應(yīng)用得出,與傳統(tǒng)爆破技術(shù)相比,二氧化碳爆破技術(shù)成本低,飛石少,對環(huán)境影響小,經(jīng)濟效益良好。
既有文獻對液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)應(yīng)用于露天臺階開挖時孔間距的研究較少。致裂孔的孔間距設(shè)計對液態(tài)二氧化碳相變爆破效果的影響不可忽視。致裂孔的間距過小會增加鉆孔量,巖體過度破碎,不僅對二氧化碳相變爆破能量造成浪費,而且容易產(chǎn)生飛石,造成危險;致裂孔的間距過大易形成獨立單孔爆破區(qū)域,二氧化碳相變爆破能量雖然未浪費,但巖體不能得到充分破碎,產(chǎn)生巖體大塊,將增加二次破碎費用。故存在合理孔間距使相鄰致裂孔之間恰好形成貫通裂紋,在能量得到最大利用的同時,又確保巖體破碎效果良好。
本文利用有限元軟件對φ95/1700 型二氧化碳致裂管應(yīng)用于露天臺階開挖,在花崗巖中爆破過程進行數(shù)值模擬,分析不同孔間距對液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體效果的影響規(guī)律。
φ95/1700 型二氧化碳致裂管的直徑為95 mm,管體長度為1 700 cm,主要由儲液管、充裝頭、破裂片、泄能頭和內(nèi)部激發(fā)管組成,起到儲存、密封和釋放二氧化碳的作用,見圖1。致裂管相關(guān)參數(shù)見表1。
圖1 φ95/1700型二氧化碳致裂管主要部件
表1 φ95/1700型二氧化碳致裂管相關(guān)參數(shù)
二氧化碳致裂管對外界巖體做功大小與致裂管的容積、內(nèi)部二氧化碳的物理狀態(tài)、相變壓力有密切的關(guān)系。根據(jù)φ95/1700 型二氧化碳致裂管相關(guān)參數(shù)進行換算,其爆破產(chǎn)生的能量相當于1.114 kg 的2 號巖石乳化炸藥。
假設(shè)沿致裂孔軸線方向,液態(tài)二氧化碳相變爆破作用規(guī)律相同。為了更加清楚顯示液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體的破碎效果和應(yīng)力波傳播情況,建立兩孔三維計算模型,包括當量炸藥、空氣和巖體,見圖2。炸藥和空氣網(wǎng)格共節(jié)點,單元采用任意拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法[9]進行運算。空氣覆蓋整個巖體。巖體單元采用拉格朗日(Lagrange)算法進行運算。通過流固耦合方式定義巖體與炸藥、空氣之間的連接。
圖2 液態(tài)二氧化碳相變爆破三維計算模型
致裂孔軸線方向與z軸平行,乳化炸藥密度1.15 g/cm3,致裂孔的直徑為110 mm,采用耦合裝藥方式。根據(jù)總炸藥量計算得到炸藥厚度為0.102 m,即可得到模型尺寸為5.0 m(x軸)×4.0 m(y軸)×0.1 m(z軸)。設(shè)置模型沿z軸方向受位移約束,模型四周均為無反射邊界,以削弱應(yīng)力波遇邊界產(chǎn)生的反射。計算模型共劃分為446 652個單元,673 266個節(jié)點。
選取3個監(jiān)測點研究孔間距對巖體中爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響。為對比兩孔之間巖體應(yīng)力波疊加效應(yīng)及傳播衰減規(guī)律,選取兩孔連線中點為測點1、測點1 與左致裂孔邊緣連線中點為測點2、測點3與測點1關(guān)于左致裂孔中點對稱,見圖3。
圖3 測點位置示意
3.2.1 巖體材料參數(shù)
爆炸沖擊作用下巖體表現(xiàn)出高應(yīng)變率、高壓和大應(yīng)變的狀態(tài),故選擇HJC(Holmquist-Johnson-Cook)損傷本構(gòu)模型表述巖體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系、損傷破壞演化情況等。巖體的HJC 損傷本構(gòu)模型中各個參數(shù)一般由試驗測得,凌天龍等[10]提出了可通過單軸、三軸壓縮試驗、霍普金森壓桿沖擊試驗、劈裂拉伸試驗等獲取巖體的HJC 損傷本構(gòu)模型參數(shù)的方法。本文采用的巖體為花崗巖,花崗巖的HJC 損傷本構(gòu)模型參數(shù)參考文獻[11]的試驗結(jié)果取值。部分參數(shù)見表2。
表2 花崗巖的HJC損傷本構(gòu)模型的部分參數(shù)
巖體在液態(tài)二氧化碳相變爆破作用下,不僅受到?jīng)_擊波的壓縮破壞,而且受到拉伸應(yīng)力波的拉裂破壞和剪切破壞。軟件通過刪除失效單元以實現(xiàn)巖體產(chǎn)生的裂紋效果[12]。以HJC 損傷本構(gòu)模型中的失效類型作為巖體受壓破壞判據(jù),還需要添加額外的失效關(guān)鍵字(最大拉應(yīng)力9.0 MPa 或最大剪應(yīng)變0.005 7)描述巖體拉伸或剪切破壞,若超過最大值則巖體單元失效。
3.2.2 空氣和炸藥材料參數(shù)
空氣采用空材料模型,密度為1.29 kg/m3。
利用高能炸藥材料模型的JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程描述2號巖石乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力和體積之間的關(guān)系。
JWL狀態(tài)方程為
式中:P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力;A、B、R1、R2、ω均為與炸藥相關(guān)的常數(shù);V為炸藥的相對體積;E0為炸藥的初始體積內(nèi)能。
2號巖石乳化炸藥的爆速為4.5 km/s,爆轟波陣面的壓力為9.53 GPa,初始相對體積為1.0,其他參數(shù)見表3。
表3 乳化炸藥參數(shù)
李必紅等[13]通過巖石中應(yīng)力波的傳播模型推導(dǎo)出液態(tài)二氧化碳相變爆破孔間距的計算公式,建立了液態(tài)二氧化碳相變爆破孔間距與炸藥爆破孔間距的轉(zhuǎn)換公式。液態(tài)二氧化碳相變爆破孔間距aCO2計算公式為
式中:Q為破裂片的破壞強度;ρ0為炸藥密度;D為炸藥爆速;dg為二氧化碳致裂管的直徑;dy為炸藥的直徑;μ為巖體的泊松比;aexp為炸藥爆破孔間距。
液態(tài)二氧化碳相變爆破花崗巖時,Q=310 MPa,ρ0=1 150 kg/m3,D=4 500 m/s,dg=95 mm,dy=90 mm,μ=0.15,aexp=4.0 m。計算得出aCO2為1.66 m。
本文為驗證孔間距理論計算公式所得結(jié)果的合理性,致裂孔的孔間距分別取1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 m,共6 種計算工況,模擬液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體過程。
液態(tài)二氧化碳在致裂孔內(nèi)相變起爆后,不同孔間距下巖體中爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律大致類似。以孔間距為1.5 m時為例進行分析,見圖4。
圖4 巖體有效應(yīng)力傳播云圖(單位:Pa)
由圖4可知,液態(tài)二氧化碳相變爆破開始,巨大的沖擊荷載作用在致裂孔周邊,激起巖體內(nèi)應(yīng)力波逐漸向遠處傳播。在0.04 ms 致裂孔周邊巖體出現(xiàn)的最大有效應(yīng)力達到770 MPa,應(yīng)力波的波陣面處有效應(yīng)力為77 MPa;隨著時間推移,在0.16 ms兩致裂孔的爆破應(yīng)力波在中間位置相遇疊加;在0.45 ms 巖體內(nèi)應(yīng)力波在傳播過程中遇到模型邊界發(fā)生反射;在0.89 ms反射波在兩致裂孔中間位置再次相遇疊加。從巖體內(nèi)應(yīng)力波傳播過程可以發(fā)現(xiàn)存在合理孔間距,使應(yīng)力波疊加后恰好能夠破碎巖體。
不同孔間距下各測點的有效應(yīng)力變化規(guī)律大致相同。以孔間距1.5 m 時為例進行分析,見圖5??芍孩僖簯B(tài)二氧化碳相變爆破巖體時,各測點有效應(yīng)力發(fā)生劇烈變化。測點1的有效應(yīng)力時程曲線具有2個波峰(0.17 ms的309.07 MPa,0.92 ms的83.25 MPa)。第一個波峰出現(xiàn)的原因是兩致裂孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在該位置相遇疊加,第二個波峰出現(xiàn)的原因是模型上下邊界的反射波在該位置相遇疊加。測點2的有效應(yīng)力時程曲線具有3 個波峰(0.10 ms 的262.61 MPa,0.23 ms的108.13 MPa,0.91 ms的81.57 MPa)。前兩個波峰出現(xiàn)的原因是兩致裂孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波相繼傳播到該位置,第三個波峰出現(xiàn)的原因是模型上下邊界的反射波傳播到該位置。測點3的有效應(yīng)力時程曲線具有4 個波峰(0.17 ms 的 150.98 MPa、0.46 ms的 69.49 MPa、0.61 ms 的 65.52 MPa、0.88 ms 的53.44 MPa)。前兩個波峰出現(xiàn)的原因同測點2,第三個波峰出現(xiàn)的原因是模型左邊界反射波傳播到該位置,第四個波峰出現(xiàn)的原因是模型上下邊界的反射波傳播到該位置。②測點1 的最大有效應(yīng)力大于測點2和測點3。這是由于液態(tài)二氧化碳相變爆破時,巖體內(nèi)應(yīng)力波在測點1 發(fā)生疊加效應(yīng)。測點2 的最大有效應(yīng)力大于測點3,是由于測點2 距致裂孔的距離更近。
圖5 測點有效應(yīng)力時程曲線
不同孔間距下中間測點1的有效應(yīng)力時程曲線見圖6。測點1的最大有效應(yīng)力統(tǒng)計見表4。
圖6 不同孔間距下測點1的有效應(yīng)力時程曲線
表4 不同孔間距下測點1的最大有效應(yīng)力統(tǒng)計
由圖6 和表4 可知:隨孔間距增大,測點1 的最大有效應(yīng)力近似呈線性減小。通過擬合得到測點1的最大有效應(yīng)力y與孔間距x的關(guān)系式為y= -16.257x+320.73。相關(guān)系數(shù)為0.979 3,驗證了采用該公式可預(yù)測不同孔間距下中間測點的最大有效應(yīng)力。
不同孔間距下液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體時,巖體中裂紋最終情況見圖7。
圖7 不同孔間距下巖體裂紋最終情況
由圖7 可知,液態(tài)二氧化碳相變爆破造成致裂孔周邊巖體失效,出現(xiàn)粉碎區(qū)和裂隙區(qū)??组g距為1.5 m時,致裂孔周邊出現(xiàn)直徑0.49 m 的粉碎區(qū),伴隨橫向和縱向裂紋,兩孔之間出現(xiàn)密集的裂紋,巖體被裂紋分割成小塊,呈過度破碎狀態(tài)。在模型邊界反射產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波強度超過巖體極限抗拉強度,導(dǎo)致巖體出現(xiàn)近似平行模型邊界的裂紋??组g距為1.5、1.6、1.7、1.8 m 時,兩孔中間位置均出現(xiàn)密集裂隙區(qū),裂紋貫通,說明孔間距為1.5 ~1.8 m時液態(tài)二氧化碳相變爆破對巖體有明顯致裂效果。這是因為液態(tài)二氧化碳相變爆破時產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)生疊加效應(yīng),應(yīng)力波強度超過了巖體極限抗拉強度。隨著孔間距的增大,兩孔中間位置裂紋條數(shù)逐漸減少,孔間距為1.9 m 時兩孔間未出現(xiàn)密集裂隙區(qū),僅產(chǎn)生了一條橫向貫通裂紋,液態(tài)二氧化碳相變爆破能量得到最大利用??组g距為2.0 m 時,由于爆破應(yīng)力波強度低于巖體極限抗拉強度,雙孔之間未產(chǎn)生貫通裂紋,爆破效果差??梢?,孔間距為1.5 ~1.8 m 時,兩孔之間巖體裂紋條數(shù)過多,可能造成液態(tài)二氧化碳相變爆破能量浪費;孔間距為1.9 m 時,兩孔之間巖體裂紋剛好貫通,爆破能量得到充分利用。因此,φ95/1700 型二氧化碳致裂管應(yīng)用于露天臺階開挖,在花崗巖中爆破時最優(yōu)孔間距為1.9 m。理論公式計算結(jié)果為1.66 m,說明理論公式計算結(jié)果偏保守。
本文基于孔間距理論公式計算得到采用液態(tài)二氧化碳相變爆破花崗巖時孔間距為1.66 m。利用有限元軟件對不同孔間距下液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體過程進行了模擬,得到如下結(jié)論:
1)液態(tài)二氧化碳相變爆破巖體過程中,兩孔之間巖體內(nèi)發(fā)生應(yīng)力波疊加效應(yīng);隨孔間距逐漸增大,兩孔中間位置巖體的有效應(yīng)力近似呈線性減小。
2)φ95/1700 型二氧化碳致裂管應(yīng)用于露天臺階開挖,在花崗巖中爆破時最優(yōu)孔間距為1.9 m,而理論公式計算結(jié)果為1.66 m,說明理論公式計算結(jié)果偏保守。