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中部空气间隔装药结构不耦合状态光面爆破效果研究 ① 梁 瑞1， 解丽娜1， 周文海1， 陈必港2 （1.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050； 2.福建省交通科学技术研究所，福建 福州 350116） 摘 要 分析了 5 种中部空气间隔装药不耦合状态的光爆效果，运用 ANSYS/ LS-DYNA 软件针对 5 种不同的不耦合系数分别建立 了 5 种不同空气柱长度的数值模型，比较相邻周边孔 1/2 孔距及孔壁所选单元的有效应力时程曲线及有效应力峰值随不耦合系数 变化的规律，结果表明，有效应力随轴向不耦合系数增大而减小。 从减小炸药段附近单元有效应力以及保证空气柱中部裂缝贯通 的角度出发，于本文模型的地质条件下较优的轴向不耦合系数为 3.5～4.5。 关键词 光面爆破； 空气柱长度； 中部空气间隔； 不耦合系数； 数值模拟； 有效应力时程曲线 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.01.006 文章编号 0253-6099（2019）01-0025-04 Research on Smooth Blasting with Decoupled Explosive Charge in a Mid Column Air Deck System LIANG Rui1， XIE Li-na1， ZHOU Wen-hai1， CHEN Bi-gang2 （1.School of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Ganshu， China； 2.Fujian Transportation Science and Technology Research Institute， Fuzhou 350116， Fujian， China） Abstract An analysis for smooth blasting with decoupled explosive charges by using an air decking system with 5 different air column lengths was presented. Numerical models with 5 kinds of air column lengths and different decoupling coefficient were established by using ANSYS/ LS-DYNA software. Effective stress vs time curves for the section of neighboring borehole with 1/2 spacing， as well as for the borehole walls were plotted and compared， and the relationship between the effective stress peak and decoupling coefficient was also analyzed. Results showed that the effective stress was decreased with the increasing of axial decoupling coefficient. Based on the consideration of reducing the effective stress near the explosive charge section， as well as for ensuring the blast-induced cracks developed through the middle part of air column， the optimal axial decoupling coefficient for the established model in this paper was determined to be around 3.5～4.5. Key words smooth blasting； air column length； mid column air decks； decoupling coefficient； numerical simulation； effective stress vs time curve 光面爆破工艺中，空气柱长度是空气间隔装药的 关键参数，其合理与否直接影响光面爆破效果，空气柱 过长，会失去空气间隔装药作为均衡孔壁压力的价值， 致使孔口、空气柱中部出现“挂门帘”的现象；空气柱 过短，可能造成孔内能量的过度集中，使得装药段附近 岩层过度破碎。 同时，空气柱长度也将影响空气间隔 装药结构的选取。 当空气柱较短时，可对炸药少分或 不分段，选用相对简单的装药结构；当空气柱较长时， 应对炸药分成若干段，选用相对复杂的装药结构。 因 此，确定合理的空气柱长度（不耦合系数）在光面爆破 的进程中显得尤为重要。 1 空气柱长度确定方法 空气柱长度也可用轴向不耦合系数来衡量［1］ Kl＝ la l e le （1） 两者的转换关系为 la＝ L（Kl- 1） Kl （2） 式中 Kl为轴向不耦合系数；la为空气柱长度；le为装药 长度；L 为不含堵塞段的炮孔长度。 目前，空气柱长度 的确定方法有经验数值法、数值模拟法和理论计算法。 ①收稿日期 2018-08-23 基金项目 国家自然科学基金（51076061）；甘肃省自然基金（B061709）；甘肃省自然科学基金（1610RJZA029） 作者简介 梁 瑞（1968-），男，甘肃兰州人，教授，博士，主要研究方向为安全科学与工程、工程爆破。 第 39 卷第 1 期 2019 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №1 February 2019 ChaoXing 经验数值法主要是通过参考类似工程装药参数确 定空气柱长度［2-5］，是目前施工现场使用最为普遍的方 法。 现有工程实例主要集中在孔深不大于 2.0 m 时的 情形，对于孔深大于2.0 m，尤其是大于3.0 m 时，可供参 考的实例并不多，且对特殊岩性可供参考的也较为有限。 数值模拟法可以再现爆炸和爆炸过程中冲击波、 应力波的变化过程［6-10］，进一步分析各变量之间的相 互关系，从而获得较优的空气柱长度。 理论计算法借助炸药爆炸理论、激波理论、断裂力 学等相关理论，分析炸药爆炸过程中待求变量与相关 变量之间的相互关系，构建物理模型，致力于寻找一种 能适合不同施工现场的空气柱理论计算表达式［11-13］。 上述几种计算方法，只需结合现场炸药性能参数、 装药结构以及岩石力学参数即可得到空气柱长度，可 为不同施工现场空气柱长度的确定提供一定参考。 本 文通过 LA-DYNA 对实体模型进行模拟分析，得到 1/2 孔距及孔壁单元的应力时程曲线，并分析各部分与不 耦合系数的关系，以获得本模型地质参数条件下的最 优不耦合系数。 2 数值模拟方案 选取我国西北某一隧道掘进爆破施工现场为原 型，光爆孔孔深 4 m，孔间距0.45 m，光爆层厚度0.55 m， 单次循环周边孔数 44～48 个。 由于现场掘进爆破中岩 层底部的夹制作用显著，理论分析考虑了岩层底部的夹 制作用，为了简化计算模型，缩短解算时间，基于模型对 称性及连续性，仅选取相邻的 3 个周边孔建立数值模型， 同时综合考虑边界尺寸问题，对模型进行适当的扩展，最 终建成 400 cm（长） 255 cm（宽） 400 cm（高）的立 方体模型，如图 1 所示。 400 cm 255 cm 400 cm 400 cm 45 cm 55 cm 400 cm 255 cm 图 1 模型示意 模型选用六面体单元（单元类型号 Solid164），通 过控制单元边长尺寸划分网格，在炮孔近区边长尺寸 取小值，炮孔远区边长尺寸取大值，划分的单元共计 150 039 个。 定义单元时，炸药、空气柱、堵塞段在炸药 爆炸后通常为流体，会发生任意运动，故采用 ALE 单 元；岩体变形相对较小，故采用 Lagrange 单元。 在模拟 计算边界条件设置过程中，孔口所在面设置为自由面， 其他各面与岩体直接接触，将孔底岩层的夹制作用考 虑在内，为避免应力波在边界面处反射，导致应力波和 反射波叠加，给计算带来较大的误差，将这些面设置为 无反射边界条件。 采用 Φ22 mm 药卷，中部空气间隔装药的不耦合 系数在2.5～6.5 之间（综合考虑静态条件和岩石动态效 应），故对炮孔分别建立不耦合系数 Kl＝ 2.5、Kl＝ 3.5、 Kl＝4、Kl＝5.5、Kl＝6.5 共5 种不同的数值模型，模型示 意如图 2 所示，5 种模型对应的参数设置如表 1 所示。 单位 mm 堵塞段 空气柱 装药段 炮孔放大图 剖面 （a） （b） （c） （d） （e） I-I I I 32 40 Y X Z 图 2 不同空气柱长度模型示意 （a） Kl＝2.5； （b） Kl＝3.5； （c） Kl＝4； （d） Kl＝5.5； （e） Kl＝6.5 表 1 不同空气柱长度模型参数设置 轴向不耦合 系数 炮孔长度 / m 堵塞长度 / m 空气柱长度 / m 装药长度/ m 总长度 上部长度 下部长度 2.540.42.161.440.480.96 3.540.42.551.050.350.70 440.42.700.900.300.60 5.540.42.940.660.220.44 6.540.43.0450.5550.1850.37 3 不同空气柱长度模拟结果分析 为了分析相邻周边孔 1/2 孔距及孔壁的有效应力 状态，各选取 4 个代表单元，分别为 61128、61136、 61144、61152 及 5167、5175、5183、5191，单元选取如 图 3 所示。 5167 61128 61136 61144 61152 Y XZ 5175 5183 5191 图 3 单元选取示意 62矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 3.1 相邻周边孔 1/2 孔距有效应力 图 4 为相邻周边孔 1/2 孔距所选单元有效应力时 程曲线。 由图 4 可以看出，随着轴向不耦合系数增大 （空气柱长度加长），相邻周边孔 1/2 孔距上各单元的 有效应力均随之减小。 时间/μs 100 80 60 40 20 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 60 50 40 30 20 10 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 40 30 20 10 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 100 80 60 40 20 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 （a） （b） （c） （d） 图 4 1/2 孔距单元有效应力时程曲线 （a） 61128 单元； （b） 61136 单元； （c） 61144 单元； （d） 61152 单元 3.2 孔壁有效应力 图 5 为孔壁所选单元有效应力时程曲线。 从图 5 可以看出，随着轴向不耦合系数增大（空气柱长度加 长），孔壁上各单元的有效应力均随之减小。 时间/μs 1000 800 600 400 200 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 50 40 30 20 10 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 80 60 40 20 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 时间/μs 1000 800 600 400 200 0 20004006008001000 有效应力/MPa Kl 2.5 Kl 3.5 Kl 4 Kl 5.5 Kl 6.5 （a） （b） （c） （d） 图 5 孔壁单元有效应力时程曲线 （a） 5167 单元； （b） 5175 单元； （c） 5183 单元； （d） 5191 单元 3.3 有效应力峰值与轴向不耦合系数的关系 表 2 为 1/2 孔距单元及孔壁单元有效应力峰值随 轴向不耦合系数变化情况。 由表 2 可以看出， 除 5175、5183 单元在 Kl＝4.5 时的有效应力有所起伏，其 余基本符合有效应力随轴向不耦合系数增大而减小的 72第 1 期梁 瑞等 中部空气间隔装药结构不耦合状态光面爆破效果研究 ChaoXing 规律。 表 2 1/2 孔距单元及孔壁单元有效应力峰值随轴向不耦合系 数变化情况 不耦合 系数 有效应力峰值/ MPa 1/2 孔距单元孔壁单元 611286113661144611525167517551835191 2.592.635.255.493.3832.165.843.0833.2 3.581.424.337.375.2492.033.528.7115.7 477.717.831.460.9203.558.232.197.3 5.574.417.124.636.399.225.320.372.9 6.574.311.110.925.183.534.115.854.1 进一步分析比较可知，随轴向不耦合系数增大，靠 近装药段单元受到的有效应力将急剧减小，从而有利 于避免粉碎区的形成。 同时从爆破成本来看，炮孔长 度一定时，轴向不耦合系数增大也有利于减小装药量、 降低爆破成本。 但另一方面，轴向不耦合系数增大，靠 近空气柱中部单元受到的有效应力也随之减小，且中 上部单元（61136、5175）较中下部单元（61144、5183） 小，从而导致靠近空气柱中部的岩体达不到破岩条件、 无法形成贯通裂缝。 显然，存在一个较优的 Kl值，即 当 Kl＝3.5～4.5 是比较合适的。 在 Kl＝ 2.5～4.0 范围 内，曲线较为陡峭、斜率较大，说明有效应力对 Kl较敏 感；在 Kl＝4.0～6.5 范围内，曲线较为平缓、斜率较小， 说明有效应力随 Kl变化不大；在 Kl＝3.5～4.5 范围内， 恰好是曲线走势的转折区间，这既能降低装药段附近 单元的有效应力，又能保证空气柱单元的有效应力进 一步减小。 因此，通过对中部空气间隔装药结构的 5 种不耦合状态分析得到的较优轴向不耦合系数为 Kl＝3.5～4.5。 该不耦合系数范围仅适用于本模型。 4 结 论 1） 通过分析 5 种不耦合系数状态下相邻周边孔 1/2 孔距及孔壁上各单元的有效应力时程曲线，各选 取单元的有效应力随不耦合系数增大呈逐渐减小趋势。 2） 随着轴向不耦合系数（空气柱长度）增大，有 效应力均随之减小。 从减小炸药段附近单元有效应力 以及保证空气柱中部裂缝贯通的角度出发，较为合理 的轴向不耦合系数为 3.5～4.5。 该结果仅适用于本模 型，关于实例证明将在日后的学研中进一步研究。 参考文献 ［1］ 戴 俊. 岩石动力学特性与爆破理论（第 2 版）［M］. 北京冶金 工业出版社， 2013. ［2］ Dohyun Park， Seokwon Jeon. 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