混装乳化炸药不同孔径水孔装药试验研究(2).pdf

第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4  Dec. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2018. 04. 019 混装乳化炸药不同孔径水孔装药试验研究* 余红兵 1， 赵明生1， 周桂松2， 胡浩川1， 叶海旺3 （1.保利新联爆破工程集团有限公司， 贵阳550002；2.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司， 重庆401121； 3.武汉理工大学资源与环境工程学院， 武汉430070） 摘 要 针对不同孔径下混装炸药车水孔装药， 对炸药与孔内积水的混合情况进行了试验研究。通过混装 乳化炸药在140 mm、200 mm、250 mm不同炮孔直径下的入水混合过程开展了相似试验研究， 并结合现场工 况进行了数值仿真模拟， 得到不同时间下炸药入水混合过程和乳化炸药在炮孔轴心线上的速度流场和曲线 图。结果表明 在孔内水位为1. 0 m、 装药速度为1. 2 m／ s的条件下，140 mm炮孔直径在装药过程中药柱容 易被水切断形成断层， 炸药无法达到孔底， 随着炮孔直径的增大， 炮孔内部炸药与水混合越充分， 水面整体上 升而对炮孔内炸药性能影响减小， 炸药射流（最大／最小）有效射程分别为0. 62 m／0. 3 m、＞ 1 m／0. 4 m、 ＞1 m／0. 45 m。 关键词 混装炸药；水孔；相似试验；数值模拟 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0104 －04 Experimental Study on Charging of Water Loaded Borehole in Field Mixed Emulsion Explosives under Different boreholes YU Hong-bing1，ZHAO Ming-sheng1，ZHOU Gui-song2，HU Hao-chuan1，YE Hai-wang3 （1. Poly Xinlian Blasting Engineering Limited Company，Guiyang 550002，China； 2. China Gezhouba Group Explosive Co Ltd，Chongqing 401121，China；3. School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China） Abstract The mixing of explosive and accumulated water in different holes was experimentally studied for the water hole charge of mixing explosive truck. Similar experiments were carried out to study the mixing process of mixed emulsion explosive under different borehole diameters of 140 mm，200 mm and 250 mm. Meanwhile，according to the field conditions，the velocity field and axial velocity curve of the mixing process for mixed emulsion explosive under different timeswere obtained by numerical simulation. The results show that under the condition of 1. 0m water level and 1. 2 m／ s charge velocity，the charge with 140 mm borehole diameter is easy to be cut off by water to a fault，which makes the explosive not to be reached to the bottom of the borehole. With the increase of borehole diame- ter，the more fully the mixture of explosive and water in the borehole，the more effect of the perance of the explo- sive is pered in the borehole by the overall rise of water surface. The effective ranges of explosive jet（maximum／ minimum）are 0. 62 m／0. 3 m，＞1 m／0. 4 m，＞1 m／0. 45 m，respectively. Key words mixed explosive；water hole；similarity test；numerical simulation 收稿日期2018 －11 －02 作者简介余红兵（1991 －） ， 男， 湖南常德人， 高级工程师、 硕士， 主 要从事工程爆破方向研究， （E-mail）602574716＠ qq. com。 通讯作者周桂松（1973 －） ， 男， 河北南皮人， 教授高级工程师、 本 科， 主要从事工程爆破管理， （E-mail）zhougs＠ expl. cn。 基金项目贵州省高层次创新型人才培养（百层次，黔科合人才 （2016）4030号） ；2017年新疆维吾尔自治区天池百人计 划（ 新人社函[ 2017 ] 699号） 使用混装乳化炸药进行水孔装药， 不同的炮孔 直径在爆破后经常出现大块率高、 根底率高、 飞石距 离远甚至盲炮等不同的不良爆破效果， 主要原因是 孔内积水导致炸药被水隔断、 炸药长时间与水接触万方数据 影响炸药性能以及水面上升导致堵塞效果不好［ 1-3］。 为实现装药连续性， 保证爆破达到预期效果， 任少峰 等通过采取改变布孔方式、 炮孔排水、 水间隔装药等 不同的水孔爆破控制措施进行了现场对比爆破试 验［ 4］； 张建洲、 支成江等也对乳化炸药如水性能进 行了研究［ 5，6］； 叶海旺等也指出 水孔装药时必须将 输药软管放到炮孔底部开始装药， 提升软管速度与 装药速度同步， 对操作人员和乳化炸药性能有非常 严格的要求［ 7］。但上述研究均未提出不同孔径含 水炮孔爆破效果难以控制的难题， 为从本质上寻求 不同孔径爆破效果， 研究不同孔径下炸药入水的过 程， 对不同孔径水孔装药进行过程模拟研究， 分析混 装车在装药时， 炸药与水在不同孔径下的混合模式， 分析对其炸药传爆过程的影响。 1 水孔装药试验 在使用混装车装药时很难对炮孔内的装药过程 进行可视化观察， 尤其是水孔内的装药结构和炸药 与水混合模拟难以控制。为直观研究水孔装药过 程， 采用透明管模拟炮孔进行水孔装药试验， 以探索 不同孔径下水孔装药过程机理。 1. 1 试验方案 现场试验采用高度为2. 0 m，内径分别为 140 mm、200 mm、250 mm的透明管模拟炮孔， 均注 入1. 0 m深的水。待水澄清后采用BCJ-30型混装 乳化炸药装药车进行装药， 其输药管内径为30 mm， 装药速度控制在60 kg／ min， 试验示意图如图1所 示， 根据模拟不同炮孔直径进行四组试验。 图1 不同炮孔直径现场混装模拟试验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of simulated test for different bore hole diameters 1. 2 水孔装药过程试验结果 模拟试验过程中， 发现水孔装药时， 乳化炸药入 水后不再连续， 而是被水切割成大小不一的散块。 由于水对炸药的限制作用， 炸药在不同孔径内的炮 孔均有一定随着回流的水体上下反复运动。炮孔直 径越小产生的回流现象越小， 但炸药中间混合的水 就越多， 中间易产生水柱形成不连续装药， 而且炸药 无法到达孔底。炮孔直径越大产生的回流现象越严 重， 最终在重力的作用下只有少量颗粒直径较小的 炸药团分散在水中， 表观上炸药与水混合密切， 水面 整体上升。如图2所示。 图2 不同孔径水与乳化炸药混合结果 Fig. 2 Mixing results of different pore water and emulsion explosive 由试验结果可知， 入水后炸药将呈扇形散开， 在 孔壁的限制下与水形成旋涡， 水与炸药交叉混合， 致 使装药过程中炸药运动速度变慢、 连续性变差。炮 孔直径越小炸药中间产生水柱的现象就越容易发 生， 影响孔内装药的连续性； 而炮孔直径越大， 炮孔 内的乳化炸药与水混合越紧密， 炸药呈团状， 表面凹 凸不平， 炸药与水混合在一定程度上影响炸药的爆 破性能， 但药柱没有被水切断， 炸药与水混合物在炮 孔内连续存在。 2 数值仿真模拟 2. 1 数学模型 Fluent常用于模拟和分析复杂几何区域内的流 体流动与传热现象， 通过将空间上连续计算区域划 分一系列控制体积导出流体离散方程进行求解， 离 散格式采用QUICK格式。模拟输药软管内径为 30 mm，炮孔直径R分别为140 mm、200 mm、 250 mm， 孔内水的深度L为1. 0 m， 建立二维轴对称 模型， 几何模型采用结构化四边形网格进行划分。 如图3所示。入口边界条件类型采用速度入口， 经 折算， 取切向入口速度v0＝1. 2 m／ s， 出口边界条件 类型为压力出口， 出口压力等于一个标准大气压。 壁面设为无滑移边界条件， 对近壁区域的处理采用 FLUENT中默认的标准壁面函数法计算边界附近的 湍流参数［ 7，8］。相关流体参数如表 1所示。 图3 几何模型及网格划分示意图 Fig. 3 Schematic diagram of geometric model and mesh generation 501第35卷 第4期 余红兵， 赵明生， 周桂松， 等 混装乳化炸药不同孔径水孔装药试验研究 万方数据 表1 仿真模型流体参数 Table 1 Fluid parameters of simulation models 参数 水密度／ （kgm －3） 水粘度／ （Pas －1） 乳化炸药 密度／ （kgm －3） 乳化炸药 屈服应力／ Pa 乳化炸药 屈服粘度／ （Pas －1） 乳化炸药 稠度系数 取值9980. 001125046301. 13 2. 2 模拟结果与分析 不同炮孔直径装药过程数值分析建模计算， 得 到不同时间下炸药入水混合过程和速度流场和轴心 速度曲线图， 如图4所示。 图4 炸药入水混合过程和速度流场计算结果 Fig. 4 Results of mixing process and velocity flow calculation of explosive entering water 分析不同时间炸药入水混合过程和速度流场， 结果表明 在孔内水位为1 m、 装药速度为1. 2 m／ s、 炮孔直径为140 mm的情况下， 炸药从输药软管射 出进入水中， 在射流运动过程中， 射流范围扩大， 轴 心速度降低， 射流最大有效射程为0. 62 m， 炸药无 法到达孔底。随着装药的进行， 孔内上部大部分水 被排出， 中部乳化炸药与水呈混合状态， 药柱不连 续， 底部约0. 25 m长的孔段无炸药，如图5（a） 所示。 在孔内水位为1 m、 装药速度为1. 2m／ s、 炮孔直 径为200 mm的情况下， 炸炸药从输药软管射出进 入水中， 在射流运动过程中， 由于空间受限和回流的 影响， 流入流场的炸药一部分在压力作用下继续向 前运动， 一小部分回流。炸药到达孔底， 由于受到迎 601爆 破 2018年12月 万方数据 头壁面的限制， 射流冲击并附壁回转。虽然炸药能 到达孔底， 从孔底开始装药， 然而， 随着装药的进行， 孔内下半段仍存在大量水泡无法排出， 药柱不连续， 如图5（b） 所示。 当孔内水位为1 m、 装药速度为1. 2 m／ s、 炮孔 直径为250 mm时， 炸药从输药软管射出进入水中， 在射流运动过程中， 轴心速度衰减， 炸药一部分回 流， 一部分到达孔底并附壁回转。炸药到达孔底， 从 孔底开始装药， 然而， 随着装药的进行， 孔底药柱仍 夹有水泡无法排出， 孔内上半段积水排出基本完全， 整体药柱连续， 如图5（c） 所示。 图5 不同直径炮孔装药下炸药在不同炮孔位置不同时间下的流速曲线图 Fig. 5 Velocity curves of explosives at different positions under different positions of blast holes under different diameters of hole charge 由图5模拟结果表明， 在孔内水位为1. 0 m、 装 药速度为1. 2 m／ s的条件下， 不同孔径的炸药有效 射程如表2所示。由表2可知， 随着炮孔直径的增 大， 射流的最大有效射程及最小有效射程均增大。 表2 不同炮孔直径炸药的有效射程 Table 2 Effective range of explosives with different blasthole diameters 炮孔直径／ mm最大有效射程／ m最小有效射程／ m 1400. 620. 30 200≥1. 00. 40 250≥1. 00. 45 3 模拟结果和分析 水孔装药时， 炸药从输药软管射出进入炮孔中， 形成受限空间射流。在射流初始阶段， 按自由射流 规律发展， 由于受到孔壁的限制， 流场随即出现了与 射流方向相反的流动。随后， 炸药到达孔底， 由于受 到孔底壁面的限制， 射流冲击并附壁回流。 根据计算结果发现， 炸药从输药软管射出进入 水中， 在射流运动过程中， 与周围水体之间存在速度 不连续的间断面， 间断面不可避免的受到干扰而产 生涡旋， 涡旋吸卷周围水体进入射流， 同时不断移 动、 变形、 分裂， 产生紊动， 形成混合状态。吸卷和混 合的结果， 射流范围扩大， 轴心速度衰减。在射流场 中， 乳化炸药从输药软管射出后， 初始按自由射流规 律发展， 但由于受到孔壁的限制， 不久出现了与射流 方向相反的流动， 进入流场的炸药一部分在射流作 用下继续向前运动， 一部分随着周围水体回流。随 后， 炸药到达孔底， 由于受到迎头壁面的影响， 射流 开始冲击并附壁回转。模拟结果显示了流场内存在 回流区， 冲击射流附壁区及涡旋区。 4 结论 （1）混装乳化炸药在不同孔径水孔装药工况 下， 炸药与水的混合模式随着炮孔直径的增大逐渐 从水隔断炸药、 交融耦合、 混合紧密呈团状几个阶段 变化， 炸药在水孔内射流运动过程中与周围水体之 间形成不连续的间断面， 炸药射流的最大（最小）有 效射程随装药速度及炮孔直径增大而增大。 （2） 为减小孔内积水的存在对连续性装药和炸 药性能的影响， 混装乳化炸药在水孔装药过程中， 在 施工条件允许的情况下尽量采用大孔径进行爆破参 数设计， 输药软管口尽量靠近孔底， 与孔底的距离控 制在装药射流的有效射程内， 并加大装药速度， 对相 似工程有一定的借鉴意义。 参考文献（References） ［1］ 王 琪， 张世平， 林 哲.露天深孔不同位置水间隔装 药爆破数值模拟［J］.煤炭技术，2018，37（1） 27-29. ［1］ WANG Qi，ZHANG Shi-ping，LIN Zhe. 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