侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究.pdf

第3 6 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 6N o 3 2 0 1 9 年9 月B L A S T I N GS e p ．2 0 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 1 1 侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究 洪志先1 ，郭超2 ，熊宏武3 ，蒋海波2 ，陶明1 1 ．中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．湖南安全职业技术学院，长沙4 1 0 0 8 3 ； 3 ．中国铁建港航局集团有限公司，珠海5 1 9 0 7 0 摘要为提高深部岩体在非静水压力条件下的爆破效果、优化炮孔装药参数，利用有限元软件L S D Y N A 对不同初始应力下的单孔不耦合装药计算模型进行数值分析，得到了侧压力系数 A 和不耦合系数 髟 分 别为1 ．0 、1 ．5 、2 ．0 、3 ．0 和4 ．0 时的爆破压力、振动响应和岩体破坏形态。结果表明随着A 的增加，岩体竖 直方向的质点压力峰值增长幅度大于水平方向，竖直方向的质点峰值速度 P P V 得到促进而水平方向P P V 受到抑制且不断减d 、。炸药和岩石在不完全耦合的状态下，岩石损伤区的形状随侧压系数的增加逐渐由圆 形转变为长轴出现在较大主应力作用方向的椭圆形，且长短轴之比值逐渐增大。最后通过对数值模拟结果 进行分析发现“ - 3 不耦合系数大于2 时，巧对各质点压力峰值和P P V 的影响逐渐减弱。 关键词初始应力；数值分析；侧压力系数；不耦合系数；质点峰值速度 中图分类号T D 2 3 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7x 2 0 1 9 0 3 0 0 6 5 1 1 N u m e r i c a lS t u d yo fI m p a c to fL a t e r a lP r e s s u r eC o e f f i c i e n t o nD e c o u p l i n gC h a r g eB l a s t i n g H O N GZ h i x i a n l ，G U OC h a 0 2 ，X I O N GH o n g W l t 3 ，J I A N GH a i b e 2 ，T A OM i n 9 1 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．H u n a nV o c a t i o n a lI n s t i t u t eo fS a f e t yT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a410 0 8 3 ，C h i n a ； 3 ．C R C CH a r b o u ra n dC h a n n e lE n g i n e e r i n gB u r e a uG r o u pC oL t d ，Z h u h a i51 9 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oi m p r o v et h eb l a s t i n ge f f e c to fd e e pr o c km a s sw h i c hi ss u b j e c t e dt on o n h y d r o s t a t i cp r e s s u r ea n do p t i m i z et h eb o r e h o l ec h a r g i n gp a r a m e t e r s ，t h en u m e r i c a la n a l y s i so fs i n g l e - h o l em o d e lw i t hd e c o u p l i n g c h a r g em e t h o du n d e rd i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s sf i e l d s w a sc a r r i e do u tb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eL S D Y N A ，t h eb l a s t i n g p r e s s u r e ．v i b r a t i o nr e s p o n s ea n dr o c kf a i l u r em o r p h o l o g yw e r eo b t a i n e dw h e nt h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t A a n d t h ed e c o u p l i n gc o e f f i c i e n t 砭 a r e1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 ，3 ．0a n d4 ．0 ，r e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s e o ft h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，t h ei n c r e a s eo fp a r t i c l ep e a kp r e s s u r ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o ni sg r e a t e rt h a nt h a ti n t h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ．M e a n w h i l e ，p e a kp a r t i c l ev e l o c i t y P P V a tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o ni sp r o m o t e da n dt h eh o r i z o n t a lp a r t i c l eP P Vi ss u p p r e s s e da n dd e c r e a s e sc o n s t a n t l y ．I nt h es t a t eo fi n c o m p l e t ec o u p l i n gb e t w e e nt h ee x p l o s i v e a n dt h er o c k ，t h es h a p eo ft h er o c kd a m a g ez o n eg r a d u a l l yc h a n g e sf r o mac i r c u l a rs h a p et oa ne l l i p s et h a tt h el o n g e s t a x i sc o i n c i d e sw i t ht h el a r g e rp r i n c i p a ls t r e s sa st h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，a n dt h er a t i oo ft h el o n g e s t a n ds h o r t e s ta x e sg r a d u a l l yi n c r e a s e s ．F i n a l l y ，b ya n a l y z i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h ei n f l u - e n e eo fK do nt h ep e a kp r e s s u r ea n dP P V g r a d u a l l yw e a k e n sw h e nt h ed e c o u p l i n gc o e f f i c i e n ti sg r e a t e rt h a n2 ． K e yw o r d s i n i t i a ls t r e s s ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t ；d e c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ；p a r t i c l ep e a k v e l o c i t y 万方数据 爆破2 0 1 9 年9 月 随着资源的开采不断向地球深部推进，深部岩 体将处于“三高一扰动”的复杂力学环境下，其中高 地应力对地下工程的影响是当前的重点研究方向。 不耦合装药爆破作为一种能明显提高炸药能量利用 率并减小爆破粉碎区的装药方式在地下工程开挖中 得到广泛的使用⋯，施工过程中岩石发生破坏是由 静态原岩应力以及爆破、机械钻凿等动态扰动共同 作用导致的。目前不耦合装药爆破作用机理的相关 研究已取得了很大的进展，然而分析原岩应力场对 不耦合装药爆破开挖影响的研究还较少[ 23 ，因此研 究深部岩体在高地应力和爆炸冲击波共同作用下的 破坏效果及机制对实际爆破工程而言具有重要 意义。 基于理论分析、数值模拟以及现场试验研究手 段，国内外学者对不耦合装药和地应力对岩体爆破 的影响进行了大量的研究引。应力波理论是分析 爆炸冲击波在岩石中传播特性的基础理论，在推导 不同装药结构所引起的炮孑L 孑L 壁压力上得到了广泛 的运用【8 , 9 ] 。通过研究不耦合装药爆破能量和作用 于孑L 壁的初始压力时发现，不耦合装药所产生的爆 破冲击波能量与气压均明显降低，孑L 壁冲击压力随 装药不耦合系数的增大呈指数衰减规律，爆生气体 在炮孑L 中的作用时问有效增长，爆炸能量分布更加 均匀l 1 0 , 1 1J 。徐颖等通过室内模拟和现场试验对不 耦合系数与爆生裂纹的关系进行了研究，结果表明 不耦合系数为1 ．6 7 时裂纹数目和长度最佳，进一步 增大不耦合系数时，裂纹数量减少但长度增加2 | 。 为研究不耦合装药情况下爆炸应力波峰值随距离传 播的衰减规律，王伟等人进行了大量现场爆破试验 研究，研究结果表明不耦合装药时应力波峰值的衰 减幅度小于耦合装药时的衰减幅度，较大不耦合系 数将显著降低爆破效果[ 13 】。 随着科学技术的发展，数值模拟作为一种快速 准确的研究工具在岩土和采矿工程界得到了广泛的 运用4 ‘16 | 。为揭示不耦合装药结构改善爆破效果 的作用机理，梁为民等结合室内不耦合装药爆破模 型试验，和A U T O D Y N A 有限元分析软件对不耦合 装药爆炸应力波在岩石传播过程中粉碎圈、裂隙的 收稿日期2 0 1 9 0 4 0 9 作者简介洪志先 1 9 9 6 一 ，男，硕士研究生，从事矿山爆破和岩层 控制理论研究， E m a i l z h i x i a n h C S U ．e d u ．c n 。 通讯作者陶明 1 9 8 3 一 ，男．中南大学副教授、博士生导师、博 士，主要从事岩石动力学与深部资源开采理论方面的研 究， E m a i l m i n 昏a o C S U ．e d u ．C n 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 1 7 7 2 3 5 7 、5 1 4 0 4 3 0 3 ；中南 大学中央高校基本科研业务费专项资金资助 2 0 1 9 z z b s l 6 6 形成进行了数值模拟研究[ 17 | 。姜鹏飞等人采用L S ． D Y N A 对炮孔装药不耦合系数和不耦合介质对碳酸 盐岩体中的爆炸应力波传播规律及能量衰减特性进 行数值模拟研究[ 18 I 。为分析中心单药卷、偏心单药 卷和偏心双药卷三种不耦合装药对预裂爆破效果的 影响，李新平等人通过建立计算模型进行了数值分 析，研究结果揭露了偏心单药卷装药结构在保留区 岩体一侧的炮孔壁上产生的爆炸荷载明显低于开挖 区，对保留区岩体形成的损伤最小，且能够获得最佳 预裂缝成型效果【19 I 。 当前研究原岩应力场对不耦合装药爆破效果影 响的可视化研究成果较少，且受场地和爆破用品审 批制度等因素的制约，难以在实际工程当中通过控 制变量的方法进行深部岩体不耦合装药爆破试验研 究。鉴于此，采用有限元软件A N S Y S ／L S ．D Y N A ，以 湘西金矿沃溪矿区深部岩体爆破开挖为工程背景， 建立以空气为耦合介质的单孑L 不耦合装药数值模 型，探讨不同侧压系数下不同不耦合装药系数对岩 体内部压力和振动效应的影响，从而为改善装药结 构、提高生产能力并降低生产成本提供有效的设计 依据。 1工程概况 湘西金矿沃溪矿区主要以含金锑钨石英脉型、石 英网脉型矿体为主，顶底板围岩及夹石均为紫红色板 岩，矿体及围岩属中等稳固。矿体倾角2 6 。～3 5 。，东 西走向长5 0 ～3 0 0m ，倾斜延伸1 1 0 0 ～2 0 0 0m 以上， 平均矿体宽度0 ．2 ～2 ．0m ，当前最低开采水平达 1 0 3 5m ，现有采矿方法主要为竖分条胶结充填法及 削壁充填采矿法。随着开采深度的增加，地应力逐 渐增大，由于高地应力和爆破冲击组合加载作用所 引起的地质灾害不断显现h 0 | 。因此，研究不同初始 应力及孔网参数下的岩体在爆破作用下的质点振动 速度及峰值压力，对合理设计深部岩体爆破孔网参 数和安全高效回采矿石具有重大意义。 2 数值模型的建立 2 ．1 计算模型 为研究不同侧压系数下的岩体在爆破过程中的 内部压力及振动特性与不耦合系数之问的关系，采 用L S D Y N A 建立计算模型对沃溪矿区深部无限大 岩体在爆破冲击载荷过程中的动态响应进行数值模 拟。将该问题简化为平面应变分析，并根据现场采 用的Y T _ 2 7 气腿式凿岩设备和2 号岩石乳化炸药， 确定模型长宽尺寸分别为4 ．0m ，炮孔直径D 。为 万方数据 第3 6 卷第3 期洪志先，郭超，熊宏武，等侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究 6 7 4 2m i l l ，炸药与岩石之间的介质为空气。所建立的 计算模型如图1 所示。 笨 乐 身 麦 ■静1 - ．凰皇‘ ■锋 图1不耦合装药爆破数值模型 F i g ．1 N u m e r i c a lm o d e lo fd e c o u p l i n gc h a r g eb l a s t i n g 采用套孔应力解除法测得沃溪矿区3 2 中段埋 深7 5 6m 位置的岩体垂直主应力 叽 约为2 0M P a ， 最大水平主应力 盯。 3 0M P a ，该地应力状态下的岩 体物理力学性质已发生重要变化，同时由于初始应 力场的存在，井下爆破产生的爆轰波传播及裂纹扩 展规律受到明显影响[ 2 1 | 。因此，通过保持垂直主应 力值为2 0M P a 不变，改变水平主应力的大小，研究 不耦合装药在不同侧压系数人的初始应力场下的 爆破特性。地应力场的工况及不耦合装药系数的大 小见表1 。 2 ．2 岩石介质模型 岩石材料在爆炸冲击过程中会呈现出硬化软 化、损伤断裂、应变等多种力学现象，并且在高应力 状态下岩体将表现处流变及弹脆性向塑型转变的特 性，为此采用塑性随动模型 M A T P L A S T I C K I N E ． M A T I C [ 2 2 ] 来模拟矿区紫红色板岩在爆破作用下的 力学响应，该材料模型与应变率有关并自带失效准 则，并且可通过调整硬化参数届改变材料的各向同 性或隧洞硬化特性。该本构应变率通过C o w p e r ． S y m o n d s 模型来控制，屈服应力与应变率之问的关 系可表示为 ．上 盯， [ 1 昙 ’] 盯。 卢q s 罗 1 式中；为应变率；C 和P 为C o w p e r S y m o n d s 应 变率参数；o r 。为初始屈服应力；8 尹为有效塑性应 变；E 。表示塑性硬化模量。 表1 地应力工况及不耦合系数 T a b l e1I ns i t us t r e s s e sf i e l da n dd e c o u p l i n gc o e f f i c i e n t s 在开采区域内对具有代表性的上、下盘矿岩即 紫红色板岩进行取样加工，并在试验室分别对试件 进行了多项物理力学试验，精确地测定出其主要力 学性能指标。岩体主要物理力学参数列于表2 。 表2 岩体材料参数 T a b l e2P a r a m e t e r so fr o c k 2 ．3 炸药材料模型 炸药爆炸是一个由化学能转变为动能的过程， 因此在爆破模拟中采用标准J W L 状态方程模拟炸 药在岩体内发生爆炸反应的爆轰压力与比容的关 系[ 2 3 1 ，如 2 式所示 P A ，一剖e 也y B 一荆e 啦P 等 1 式中A 、B 、R 。、R 、∞为材料常数；P 为爆轰压 力；V 为爆轰产物的相对体积；E o 为爆轰产物的初 始比内能。现场岩体爆破采用2 号岩石乳化炸药， 其密度为11 5 0k g ／m 3 ，爆速为4 5 0 0m ／s 。炸药参数 如表3 所示。 表32 号岩石乳化炸药及J W L 状态方程参数 T a b l e3P a r a m e t e r so fN o ．2r o c ke m u l s i o ne x p l o s i v ea n de q u a t i o no fs t a t eo fJ W L 万方数据 爆破2 0 1 9 年9 月 2 ．4 空气材料模型 炸药与岩石之间的间隙物质为空气，以数值模 拟中常采用的空材料模型 术M A T N U L L 定义空 气材料，多线性状态方程 水E O S L I N E A R P O L Y N O M I A L 表达式为‘2 4 1 P C o C 1 秽2 c 2 影2 c 3 “ 2 c 4 C 5 v 2 c 6 铲征 式中C 。～C 。为材料常数；移为空气状态方程中 的参数。空气材料参数见表4 。 表4 空气材料参数 T a b l e4M a t e r i a lp r o p e r t i e so fa i r 3 数值模拟结果及分析 炸药爆炸后以冲击载荷的形式作用于炮孔周边 的岩体，并且在极短的时间内达到应力峰值强度并 引起围岩产生振动。在岩体中传播的爆轰压力大于 岩体的动态抗压强度，岩石发生压裂破坏并产生粉 碎区。随着冲击波进一步向炮孔远区传播，应力峰 值迅速减小，当其强度小于岩体抗压强度而大于岩 体动态抗拉强度时，岩体的破坏模式由压缩破坏转 变成拉伸或剪切破坏[ 2 5 | 。岩石的破坏模式与岩体 内部压力的大小密切相关，且研究表明，爆破地震的 破坏程度与质点的振动速度成正相关关系，在实际 爆破工程中常用质点振动速度来表征岩体在爆破作 用下的损伤破坏程度。因此对单元的压力和振动速 度进行分析，能有效反应不耦合装药结构的爆破动 态力学响应，由于计算模型处于非静水压力的初始 应力条件下，所以同时在模型石、Y 轴方向每隔 0 ．2 4m 拾取一个有限单元，并通过L S P R E P O S T 后 处理程序拾取单元的压力峰值及速度峰值，并对其 进行分析，如图2 所示。 炮 O ．2 4 m 图2 监测单元布置示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fm o n i t o r i n ge l e m e n t s 3 ．1 爆破压力分析 3 ．1 ．1侧压系数对岩体内部压力分布的影响 为比较不同侧压系数下的岩体采用不耦合装药 爆破时在其水平和竖直方向上的压力衰减规律，拾 取石，Y 方向单元的压力峰值强度并列于图3 。如图 3 a 所示，不耦合系数B 1 ．5 ，侧压系数A 1 ．0 时，炸药起爆后岩体内水平方向与垂直方向的压力 峰值始终相等，同时随着距离的增加压力峰值迅速 衰减。保持装药结构不变而不断改变岩体水平主应 力的大小。由图3 b 可知，当盯。增大1 0M P a 而保 持盯。，不变，测点1 ’及1 应力峰值同时增长8 ．1 2 ％ 和2 ．2 4 ％，水平方向压力峰值增长幅值较小，产生 该现象的原因可能是横向的爆破作用在A 1 的原 岩应力场下受到一定的抑制。从图3 c ～3 e 可 以看出，随着侧压力系数进一步增大，水平 戈 与竖 直 Y 方向的压力峰值均呈现不断增长的趋势，而 竖直方向压力峰值始终大于水平方向压力峰值，且 戈、Y 方向距爆心相同距离的测点压力峰值之间的偏 差不断增大。由此通过分析不同初始应力状态下 菇、Y 方向单元压力峰值变化规律可知，增大侧压力 系数即增大地应力同时对水平与竖直方向质点压力 的增长具有促进作用，而相比竖直方向压力峰值的 变化，侧压力系数大于1 时表现对水平压力的抑制 作用。 不改变炮孔装药结构，分析不同地应力工况中 的岩体在爆破作用下质点竖直与水平方向压力的衰 减规律。由图4 和图5 可知，炮孔采用耦合装药结 构时岩体内的压力峰值远大于炮孑L 不耦合系数大于 1 时的压力峰值，且随着水平主应力的不断增加，石、 Y 方向的压力峰值在持续地增长。从图4 a 和图5 a 中可见，在不同侧压系数的岩体中，距爆心 2 4c m 位置的单元应力峰值均大于3 0 0M P a ，此时原 岩应力场对质点压力的影响较小。随着应力波在岩 体内不断向前传播，所引起的质点峰值压力迅速衰 减，距离大于0 ．5m 时，压力的衰减速度逐渐减缓。 增大装药不耦合系数，静水压力状态下爆破近区测 点1 的压力峰值分别下降7 8 ．7 ％、8 6 ．6 ％、9 1 ．5 ％ 和9 3 。1 ％。图4 和图5 同时表明，装药不耦合系数 万方数据 第3 6 卷第3 期洪志先，郭超，熊宏武，等侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究6 9 大于2 ．0 时，应力波在岩体中引起的压力峰值对侧压力系数的变化具有更高的敏感性。 8 0 7 0 芒6 0 宣 亲5 0 出4 0 3 0 2 0 3 6 0 日3 1 7 L 2 4 0 R I8 0 趟1 2 0 1 0 0 9 0 8 0 善7 0 奁6 0 5 0 4 0 8 0 7 0 i6 0 皇 5 0 兰4 0 3 0 2 0 1 1 0 10 n 之9 堇8 1 卣6 7 。0 5 0 9 0 8 0 Z7 0 宣 衰6 n 酱5 1 4 0 3 0 【r 1 A 3 ．0 n A 4 ．0 图3 K , l 1 ．5 时x ，y 方向峰值压力衰减规律对比 F i g ．3C o m p a r i s o no fa t t e n u a t i o nl a wo fn l a x p r e s s u r ei n 戈a n dYd i r e c t i o nw h e nK ， 1 ．5 I2 L 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 5 4 4 8 皇4 2 杂3 6 幽3 0 2 4 18 d 蟛- - 3 ．0 e 蜀- - 4 ．0 图4z 方向侧压系数对压力的影响 F i g ．4 E f f e c to fl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t so np r e s s u r ei n 戈一d i r e c t i o n 3 ．1 ．2 不耦合系数对岩体内部压力分布的影响 大量研究表明，以空气为炸药和岩体之间的耦 合介质时的不耦合装药在炮孑L 周边产生的爆炸应力 波峰值将受到严重削弱，产生该现象的原因是空气 的存在消耗了爆破冲击波的大部分能量。分析比较 不同初始应力状态下的不耦合系数对岩体内质点压 力的影响，能够为在工程实际中设计合理的爆破装 药结构提供理论依据。岩体石、y 方向不耦合系数对 压力的影响见图6 和图7 。分析图中的数据可得到 如下结论A 1 时，随不耦合系数的增大岩体内各 质点压力明显减小，炮孔耦合装药时1 号单元的压 力峰值分别为其他装药结构的岩体中相同单元应力 峰值的4 ．7 、7 ．4 、1 1 ．8 和1 4 ．6 倍；根据压力峰值的 衰减曲线可知，炮孔耦合装药时距爆心0 ．4 0m 范围 万方数据 7 0 爆破2 0 1 9 年9 月 内的质点压力大于岩石的动态抗压强度，在炮孑L 中 心产生粉碎区。应力波继续向外传播，质点压力峰 值小于岩石动态抗压强度而大于拉伸强度时使得岩 体发生拉伸破坏而形成大量的裂纹；岩体在不同初 始应力状态下当采用不同的装药结构时其内部质点 芒 呈 ～ 最 蚓 距离h n f - 1 J K ， 1 ．0 7 三 、 盂 I2 0 1 0 0 妄8 0 荟6 0 4 0 2 0 压力随距离的变化规律基本一致，即在炮孑L 近区 0 ．7 2m 范围内快速减小，随后逐渐趋于稳定，说明 竖直与水平方向的压力衰减规律与不耦合系数的相 关性较小。 一五 1 ．n 一一一A 1 ．5 0 ．5 01 ．0 01 ．5 02 ．0 0 胆离／m b K 。- - I ．5 距离／m r I K 。- - 3 ．0 暑 山 苫 ～ R 目 8 0 7 0 76 t 芝5 0 奋4 f l 3 0 2 0 ． i 1 ．0 一一一A 1 ．5 0 ．5 0 1 ．0 0 1 ．5 02 ．0 0 距离，m r c J 式，- - 2 ．0 距离／m 忙J 竭- - 4 ．0 图5 Y 方向侧压系数对压力的影响 F i g ．5 E f f e c to fl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t so np r e s s u r ei ny - d i r e c t i o n 胪离／m “ A 1 ．0 ≈ 山 岂 、 长 剖 3 6 1 】 3 0 0 ‘2 4 詈t 8 0 崮12 0 6 t 0 胪离t m b i 1 ，5 距离／m d 3 ．0 口 岛 岂 、 - R 鹾 距离t m c i 2 ．0 0 ．5 01 ，0 01 ．5 02 ，0 0 距离／m e 4 ．0 图6 戈方向不耦合系数对压力的影响 F i g ．6 E f f e c to fd e e o u p l i n gc o e f f i c i e n t so np r e s s u r ei nx - d i r e c t i o n 3 ．2 爆破振动效应分析 3 ．2 ．1 侧压系数对爆破振动效应的影响 岩体质点振动速度作为衡量爆破地震波作用强 度的指标，通常被用来分析炸药爆炸后作用于岩体 和其他建构筑物的稳定性。为此，通过分析爆破振 动效应来合理选择与不同初始地应力状态相对应的 0 j 0 j 0 j 0”∞”加“㈨， ％cI；、_[I[趟 0 0 0 0 0 0 0 轮硝勰儿H 7 盂芝R 目 万方数据 第3 6 卷第3 期洪志先，郭超，熊宏武，等侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究7 1 不耦合装药系数和结构，为沃溪矿区深部矿体的安 全高效生产提供指导。图8 和图9 、图1 0 为不同侧 压系数下质点峰值速度 P P V 的衰减规律曲线。图 8 为K 。 1 ．5 时戈、Y 方向质点振动速度衰减规律对 比图，由图可知，施加于岩体水平方向和竖直方向的 外部载荷相等时，戈、Y 轴方向的质点振动速度始终 ∞ L 生 、 譬 爿 3 3 蛊2 盏 杂。 dl 石 ‘ 岂 、 霜 崮 6 t 0 0 4 f 8 0 2 0 6 t 】 0 相等。保持垂直主应力不变增大水平主应力，Y 方 向的质点振动速度随侧压系数的增大而不断增大， 相反，戈方向P P V 随侧压系数的增大而逐渐减小，该 现象表明水平主应力的增加抑制了应力波在在水平 方向的质点振动速度，同时在一定程度上促进了竖 直方向质点的振动速度。 ≈ 山 苫 、 R l 兰1 名 L 岂 、 R 出 图7y 方向不耦合系数对压力的影响 F i g ．7 E f f e c to fd e c o u p l i n gc o e f f i c i e n t sO Up r e s s u r ei ny d i r e c t i o n ⋯ 丑 1 ，0 6 优E E 4 谪3 冁2 b 丘 1 ，5 7 ，6 ‘啦5 ● E 4 面3 辎2 l ，、6 *气 4 蚓j 鞲2 l d A 3 ，0 e A 4 ．0 图8 亿 1 ．5 时石，Y 方向质点振动速度衰减规律对比 F i g ．8C o m p a r i s o no fa t t e n u a t i o nl a wo fv i b r a t i o nv e l o c i t yi n 石a n dYd i r e c t i o nw h e n ％ 1 ．5 图9 和图1 0 所示的是水平与竖直方向侧压系 数对质点峰值速度P P V 的影响，由图可知z 及Y 方 向的P P V 随传播距离的变化规律没有明显差异，且 均随着距离的增加质点峰值速度经历先迅速下降而 万方数据 7 2爆破 2 0 1 9 年9 月 后逐渐缓慢减小的过程。从图9 b 和1 0 b 可知， 不耦合系数K j 1 ．5 时，其他侧压系数下1 、1 ’测点 的P P V 相比侧压系数人 1 时分别减小了4 ．8 ％， 9 ．6 ％，1 9 ．8 ％、3 1 ．2 ％以及增加了3 ．0 ％、6 ．3 ％、 1 2 ．4 ％、1 8 ．4 ％。根据图9 b ～ e 和图l o b ～ 3 0 2 5 芒 2 三l5 R 趟1 0 0 3 5 3 0 2 5 2 0 交1 5 1 0 0 0 ，5 01 ，0 0l ，5 02 ，0 0 距离，m 怕J K J - - 1 ．0 L 2 L 0 皇0 ．8 皇 I ．6 掣『 。4 0 ，2 0 6 ， 塞4 o3 e 容易看出，随不耦合系数的增加，侧压力系数对 质点峰值速度P P v 的影响呈现先增大后减小的趋 势，即不耦合系数增大到4 ．0 时，岩体内质点峰值振 动速度将不再受侧压力系数变化的影响。 0 ．5 01 ，0 01 ，5 02 ，0 0 日；巨离，m b J 崖，- - 1 ．5 0 ．5 0 1 ．0 01 ．5 02 ．n 1 距离，m d 玛 3 ．0 0 ，6 0 ．5 圭0 ．4 三o ，3 出扎2 订．1 3 ．0 2 ．5 主2 ．0 善1 ．5 相 崮1 ．0 0 ，5 0 ，5 01 ．0 01 ．5 02 ，0 0 距离，m f c 崖。- - 2 ．0 0 ．5 n1 ．0 0I ．5 02 ．0 0 距离，m e 疋 4 ．0 图9 戈方向侧压系数对质点峰值速度P P V 的影响 F i g ．9 E f f e c to fl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t so nP P Vi n 戈一d i r e c t i o n 1 ．5 t 1 ． { I ．5 f 2 ．0 1 距离／1 1 1 a 疋 1 ．O 1 ．4 1 ．2 罡1 ．0 警0 ．8 较0 ．6 趟1 ．4 O ．2 f ，．f 7 6 芒5 乏4 奋3 2 l 1 ．5 1 ．0 01 ．5 2 ．I I 距离／1 1 1 b 】羁 1 ，5 1 ．7 0 ．6 毒。一5 苫O ．4 R0 ．3 d 0 ．2 1 ．I O 3 ．5 3 ．O 芒2 5 2 ，O 穴】，5 甘1 , 0 1 ．5 0 1 ．5 0I ．0 0I ．5 2 ．0 0 距离t m t 蜀 2 ．0 距离／m距离，m d JF ， 3 ．0 c ■ 4 ．0 图1 0 Y 方向侧压系数对质点峰值速度P P V 的影响 F i g ．1 0 E f f e c to fl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t so nP P Vi nY d i r e c t i o n 3 ．2 ．2 耦合系数对爆破振动效应的影响 图1 1 和图1 2 所示为x ．y 轴方向不耦合系数对 质点峰值速度P P V 的影响。从图中可以看出石、Y 轴方向质点振动速度的衰减规律基本保持一致，在 爆破近区，由于爆轰波波阵面上的压力和密度较高， 致使爆破地震波的震动强度衰减很快。随着爆轰波 万方数据 第3 6 卷第3 期洪志先，郭超，熊宏武，等侧压系数对不耦合装药爆破影响数值模拟研究7 3 继续向外传播，岩体内的P P V 衰减速度减慢。质点 峰值速度的变化与质点应力的变化规律相对应。由 图11 、图1 2 可知，增大装药不耦合系数，降低炸药 爆破作用在岩体中的爆轰压力和气体压力，质点峰 值振动速度P P V 相应减小。当岩体处于静水压力 距离／m f 8 1 ．0 3 n ，一2 5 ”2 0 吕1 5 蟊l O 肇5 0 状态下，耦合装药在1 和1 ’质点引起的P P V 约为其 他不耦合装药结构下相同质点P P V 的5 ．1 、1 0 ．2 、 2 5 ．6 和4 8 ．7 倍，由此可知改变炮孔装药结构增大 不耦合系数对减弱爆破引起的岩振动效应具有明显 的作用。 距离，m h 1 ．5 距离／m d 1l - - 3 ．0 3 0 ，、2 5 啦2 f E1 5 1 日{ I1 0 蠼5 0 3 0 ，一2 5 吣2 0 昌1 5 蟊i O 簌5 1 距离／m r 2 ．I 距离／m { e 1l - - 4 ．0 图11戈方向不耦合系数对质点峰值速度P P V 的影响 F i g ．1l E f f e c to fd e c o u p l i n gc o e f f i c i e n t sO i lP P Vi n 戈一d i r e c t i o n 距离／m 8 A I ．f l 距离／m b A 1 ．5 距离／m d 1A - - 3 ．O 3 6 ，、3 0 m2 4 暑I8 制I 2 蟛6 0 距离／m c A 2 ．I 距离／m l e A - - 4 ．0 图1 2Y 方向不耦合系数对质点峰值速度P P V 的影响 F i g ．1 2