章彬彬,程金明,占汪妹,趙東波,廖述能,鄭中華

(核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司,浙江 湖州 313000)

預(yù)裂爆破是一種進行石方開挖時,在主爆區(qū)爆破之前沿著設(shè)計輪廓線先爆出一條貫穿裂縫的爆破方法。其產(chǎn)生的振動波能夠有效控制其對保留巖體的損傷,使之獲得較平整的開挖輪廓。預(yù)裂爆破不僅在垂直、傾斜開挖壁面上得到廣泛應(yīng)用,而且在規(guī)則的平面以及水平建基面等也成功運用,同時也適用于穩(wěn)定性差而又要求控制開挖輪廓的軟弱巖層[1-2]。

隨著爆破技術(shù)的發(fā)展,多數(shù)專家、學者重點圍繞著“空孔效應(yīng)”[3-4](炸藥在介質(zhì)中爆炸時,爆炸應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播遇到空孔時在其周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象)和數(shù)值模擬等研究方向。由此出現(xiàn)了“一種新型輪廓控制技術(shù)”方法[5],該方法采用了試驗與模擬結(jié)合并推導(dǎo)邊坡預(yù)裂爆破參數(shù)[6],研究了在空孔的迎爆側(cè)與背爆側(cè)應(yīng)力波反射與疊加情況[7],用ANSYS/LS-DYNA研究預(yù)裂爆破理想不耦合系數(shù)[8],及裂縫擴展速度、爆生氣體擴散速度與不耦合系數(shù)的關(guān)系等[9]。在不耦合裝藥(D/d=2)條件下,設(shè)置不同炮孔—空孔的間距,基于混凝土模型爆破試驗、ALE和Lagraner算法,構(gòu)建了預(yù)裂爆破數(shù)值模型并采用LS-DYNA軟件對模型進行解算,研究表明合理增加空孔有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞作用,可為類似開挖輪廓面工程提供參考和借鑒。

1 試驗準備

材料模型為長700 mm,寬400 mm,高250 mm的長方體混凝土模型,其中水泥∶細砂∶水=1∶2.8∶0.7。其力學參數(shù)如表1所示。

表1 模型力學參數(shù)

炮孔直徑D=12 mm,裝藥直徑d=6 mm(D/d=2),空孔直徑為12 mm,炮孔深度120 mm,單發(fā)雷管起爆,炮泥填塞。

2 工況試驗設(shè)計與結(jié)果

2.1 試驗設(shè)計

根據(jù)文獻[6-9]研究,爆破裂隙區(qū)有空孔時,可以有效控制裂紋的擴展方向。在上述理論與實踐基礎(chǔ)上,本文擬設(shè)置3組(Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組)工況試驗,各試驗組工況設(shè)置如表2所示,不耦合裝藥如圖1所示。

圖1 不耦合裝藥實驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model of uncoupled charge

表2 不同炮孔-空孔距離的工況試驗組

2.2 試驗結(jié)果

由l=80 mm時爆破裂紋擴展(見圖2)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面不規(guī)整,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、4、5、6共5條裂紋,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞嚴重(見圖2a)。有空孔爆破時爆破輪廓面不規(guī)整,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在空孔及兩炮孔自由面處反射疊加,在兩炮與空孔軸線方向未形成貫通裂紋,在兩炮與空孔軸線外形成1、2、3、4、5、6、7共7條裂紋,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞也較為嚴重(見圖2b)。

圖2 l=80 mm時爆破裂紋擴展Fig.2 Blasting crack propagation when l =80 mm

由l=100 mm時爆破裂紋擴展(見圖3)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面不規(guī)整,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、3、4、7共5條裂紋,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞較為嚴重(見圖3a)。有空孔爆破時爆破輪廓面近似平面,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在空孔及兩炮孔自由面處反射疊加,在兩炮與空孔軸線方向形成一條貫通裂紋,在兩炮與空孔軸線外形成2、7共2條裂紋,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞較小(見圖3b)。相比于l=80 mm工況,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞較小,且爆破輪廓面規(guī)整。相比于無空孔情況,空孔的存在有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞作用。

圖3 l=100 mm時的爆破裂紋擴展Fig.3 Blasting crack propagation when l =100 mm

由l=120 mm 時爆破裂紋擴展(見圖4)可看出,無空孔爆破時爆破輪廓面為曲面,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成1、2、4共3條裂紋,對主爆區(qū)或保護區(qū)破壞嚴重(見圖4a)。有空孔爆破時爆破輪廓面為狹小波濤狀裂紋,兩裝藥炮孔之間的爆破應(yīng)力波在兩炮孔自由面處反射疊加,使在炮孔軸線以外形成3、6、7共3條狹小裂紋,未能形成一條貫通輪廓面(見圖4b),相比于l=100 mm工況,本組未達到預(yù)裂爆破效果。

圖4 l=120 mm時的爆破裂紋擴展Fig.4 Blasting crack propagation when l =120 mm

根據(jù)3組(Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組)工況試驗情況,合適的炮孔-空孔間距,通過給裝藥孔爆炸應(yīng)力波增加反射自由面的途徑,達到在炮孔軸線方向形成一條貫通輪廓面且對主爆區(qū)或保護區(qū)受爆破破壞的程度較小的目的。

3 數(shù)值模擬與參數(shù)比對

3.1 數(shù)值模擬模型

為研究巖石介質(zhì)在爆炸過程中的破壞與斷裂,選用ALE算法、Lagraner算法[10-11],單位采用g-cm-μs進行建模,三維模型尺寸為70 cm×40 cm×25 cm,炮孔直徑為12 mm,計算時間為200 μs,巖石、空氣、炸藥單元類型為SOLD164單元。

1)巖石材料選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本構(gòu)模型,巖石參數(shù)如表3所示。

表3 巖石參數(shù)

2)空氣材料選用*MAT_NULL本構(gòu)模型,同時其相應(yīng)的狀態(tài)方程選用*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL,空氣材料狀態(tài)方程為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E2

(1)

式中:P為爆轟壓力;E為單位體積內(nèi)能;μ為當前流體密度與初始流體密度的比值。假設(shè)空氣為理想氣體時,空氣參數(shù)如表4所示。

表4 空氣參數(shù)

3)炸藥材料選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN本構(gòu)模型。

(2)

式中:P為爆轟產(chǎn)物內(nèi)部壓力,V為爆轟產(chǎn)物體積,E0為初始比內(nèi)能。炸藥參數(shù)如表5所示。

表5 炸藥參數(shù)

3.2 裂紋擴展分析

通過數(shù)值模擬得到模型的裂紋擴展和空孔周邊的應(yīng)力分布結(jié)果。有空孔條件下,間距l(xiāng)為80、100、120 mm時不耦合爆破的裂紋擴展圖[12-13],如圖5～圖7所示。在不耦合裝藥系數(shù)為2時,不同間距下爆炸應(yīng)力波分別在22、28、34 μs時到達空孔處。

圖5 l=80 mm時有空孔裂紋擴展(D/d=2)Fig.5 Crack propagation of empty hole at l =80 mm (D/d =2)

圖6 l=100 mm時有空孔裂紋擴展(D/d=2)Fig.6 Crack propagation of empty hole at l =100 mm (D/d =2)

圖7 l=120 mm時有空孔裂紋擴展(D/d =2)Fig.7 Crack propagation of empty hole at l =120 mm (D/d =2)

間距為80 mm時,炮孔周圍形成明顯的裂紋并向兩邊空孔進行擴展,與空孔相連。中間空孔在2個應(yīng)力波的作用下破壞明顯;間距為100 mm時,隨著應(yīng)力波的傳播,裂紋先在炮孔周圍進行擴展,然后向空孔進行延伸直至與空孔相連,同時中間空孔受到左右2個爆炸應(yīng)力波的作用破壞較為明顯;間距為120 mm時,隨著應(yīng)力波的傳播,先在炮孔周圍形成裂紋,然后向空孔處延伸,由于間距較大,裂紋無法與空孔相連,但中間空孔在雙重應(yīng)力作用下有裂紋擴展。

因此,空孔對裂紋的擴展具有一定的引導(dǎo)作用,隨著l的增大,爆炸應(yīng)力波形成的破壞區(qū)域在縮小,對空孔的作用在不斷的減小,但裂紋總是向空孔處進行擴展,中間空孔對爆炸應(yīng)力波具有一定的偏轉(zhuǎn)作用,從而有利于提高空孔對裂紋的控制作用。

3.3 應(yīng)力結(jié)果分析

為分析不耦合炮孔爆破時與空孔之間的應(yīng)力傳播情況,同時研究不同間距下對空孔作用的應(yīng)力大小。因此,在左側(cè)水平中心線空孔處分別選取4個測點,測點的坐標和編號分別為:A(80,280,0)、B(100,280,0)、C(140,280,0)、D(160,280,0),其中B點和C點分別位于炮孔的作用兩側(cè),距離空孔中心20 mm,A點和D點位于炮孔左側(cè)距空孔中心40 mm,如圖8所示。

圖8 應(yīng)力測點布置Fig.8 Layout of stress measurement points

由不同炮孔-空孔距離下各測點應(yīng)力-時間(見圖9)及峰值應(yīng)力(見表6)可知,隨著l增大時,各測點的應(yīng)力峰值逐漸降低,在“空孔效應(yīng)”的作用下,測點C的應(yīng)力峰值均高于測點D、測點B。在l分別為80、100、120 mm的情況下,測點C的峰值應(yīng)力比測點D依次高0.79、0.24、0.05 MPa,測點C的峰值應(yīng)力比測點B依次高4.90、3.76、2.06 MPa,說明爆破應(yīng)力波越大時在空孔處的反射拉伸作用越明顯。即到達空孔處的爆炸應(yīng)力波越大,“空孔效應(yīng)”越明顯,反之“空孔效應(yīng)”越微弱。

圖9 測點應(yīng)力-時間Fig.9 Time-history curve of stress at measurement points

表6 部分坐標點應(yīng)力波峰峰值

4 結(jié)論

1)中間空孔能改善預(yù)裂爆破的爆破效果,選擇合適的炮孔—空孔距離有利于良好爆破輪廓面的形成,還能減少對主爆區(qū)或保護區(qū)過度破壞。

2)預(yù)裂爆破時,中間空孔對裂紋的擴展具有一定的引導(dǎo)作用,隨著炮孔—空孔距離的增大,雖爆炸應(yīng)力波形成的破壞區(qū)域在縮小,但裂紋仍是向空孔處進行擴展。中間空孔對爆炸應(yīng)力波具有一定的偏轉(zhuǎn)作用,選擇合適的炮孔—空孔距離有利于提高這種偏轉(zhuǎn)作用的利用率。

3)在空孔處的“空孔效應(yīng)”作用受到達空孔的爆破應(yīng)力波大小限制,爆破應(yīng)力波越大,在空孔處的“空孔效應(yīng)”越明顯,反之則在空孔處的“空孔效應(yīng)”越微弱。選擇合適的炮孔—空孔距離使空孔處的疊加應(yīng)力波剛好滿足形成良好爆破輪廓面的要求范圍,有利于預(yù)裂爆破效果的改善。