基于FEM-SPH耦合方法的玉石地下开采爆破试验研究.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. 002 基于FEM-SPH耦合方法的 玉石地下开采爆破试验研究* 汪柳俊 1a，2， 殷 同 3， 叶海旺1a，1b， 邓星星4， 龙 梅 1c， 雷 涛 1a，1b， 李 宁 1a，1b， 王其洲1a，1b （1.武汉理工大学a.资源与环境工程学院；b.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室；c.图书馆， 武汉430070； 2.武汉山友爆破科技工程有限公司， 武汉430070；3.贵阳市公安局治安支队， 贵阳550081； 4.贵州铜仁中艺紫袍玉文化发展有限公司， 铜仁554300） 摘 要 以爆破方式开采经济价值高的层状玉石矿为研究对象， 为降低爆破对玉石矿的损伤， 利用FEM- SPH耦合数值模拟方法和现场试验研究三种不同爆破方法条件下岩体损伤范围。模拟结果显示 在层状玉 石矿上方布置预裂炮孔以及主炮孔内采用分层装药爆破方法对底部玉石矿的保护效果最佳， 较矿山原有爆 破方法， 玉石矿所受应力降低60％以上， 振动峰值降低80％以上。现场试验结果显示 原有爆破方法爆破破 裂圈半径超过0. 90 m， 分层间隔爆破和预裂爆破加分层间隔爆破方法的爆破破裂圈半径分别为0. 62 m和 0. 40 m。研究结果表明 采用预裂爆破加分层间隔爆破方法能有效提高层状玉矿石的完整性， 增加矿山经济 效益。 关键词 层状玉石矿；地下开采；FEM-SPH耦合；保护层厚度；破裂圈半径 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0006 －08 Experiment Study of Underground Mining Blasting based on FEM-SPH Coupling WANG Liu-jun1a， 2， YIN Tong3，YE Hai-wang1a， 1b， DENG Xing-xing4， LONG Mei1c，LEI Tao1a， 1b， LI Ning1a， 1b， WANG Qi-zhou1a， 1b （1. a. School of Resources and Environmental Engineering；b. Hubei Key laboratory of Mineral Resources Processing and Environment；c. Library，Wuhan University of Technology， Wuhan 430070，China；2. Wuhan Shanyou Blasting Technology Engineering Co Ltd， Wuhan 430070，China；3. Public Security Detachment of Guiyang Public Security Bureau， Guiyang 550081，China；4. Guizhou Tongren Zhongyi Purple Robe Jade Cultural Development Co LTD，Tongren 554300，China） Abstract Blasting is used to exploit the layered jade with high economic value. In order to reduce the blasting damage in jade ore，rock mass damage from three different blasting s is analyzed with FEM-SPH cou- pling numerical simulation and field test. Simulation results show that the protection effect of the jade ore is the best when the pre-splitting blasting above layered jade ore and air-decked charge blasting for production are adopted at the same time，comparing to the previous blasting in that mine. Stress in jade ore is lowered by more than 60％，and vibration particle peak velocity is lowered by more than 80％. Field test results show that the blasting frac- ture circle radius with the employed blasting is more than 0. 90 m and blasting fracture circle radius with air- decked charge blasting is 0. 62 m. Blasting fracture circle radius with pre-split blasting and air-decked blast is 0. 40 m. It can be seen from the research results that the combination of pre-split blasting and air-decked charge blasting can effectively improve the integrity of layered jade ore and increase the economic benefit of the mine. 万方数据 Key words layered jade mine；underground mining；FEM-SPH coupling；protective layer thickness；blasting fracture circle radius 收稿日期2018 －07 －23 作者简介汪柳俊（1991 －） ， 男， 硕士研究生， 从事岩土力学与爆破 动力学研究， （E-mail）1325503521＠ qq. com。 通讯作者叶海旺（1971 －） ， 男， 副教授、 博士， 从事采矿、 爆破方面 的研究与教学工作， （E-mail）yehaiwang369＠ hotmail. com。 基金项目贵州省科技计划项目（20172803） 由于有限元网格的连续性， 在模拟大变形、 抛射 等过程时并不能很好的反应真实的爆破效果， 为此 近年来广大的国内外学者将眼光注意到光滑粒子流 体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics， 简 称SPH） 。目前大量研究结果表明SPH-FEM适用 于模拟波浪破碎、 高速水流、 高速冲击碰撞等瞬时极 大变形的问题［ 1，2］。这种方法能够很好地捕捉流体 自由面变形、 飞溅、 融合现象， 可以有效解决流固耦 合问题［ 3-8］。而且能够在宏观尺度下处理离散体与 流体之间的相互作用问题［ 9］。该技术的应用同样 能够准确描述爆炸动力响应特性， 适合计算结构发 生大的变形［ 10-12］。采用 SPH研究分析方法， 既能减 小计算量， 又可以得到较准确的数据［ 13］。SPH-FEM 能够大大提高算的效率和准确度， 有效地解决网格 畸变使得计算的中止问题［ 14］。 地下薄层状玉石矿的无损开采是采矿工程中的 难点之一， 为减少爆炸对玉矿石的损伤。通过FEM- SPH耦合数值模拟手段从爆破减振以及应力传播的 角度研究三种爆破方法对层状玉石矿的影响范围。 在矿山现场爆破试验时， 运用声波探测技术检测三 种爆破方法对岩体造成的损伤状况， 结合模拟和试 验结果对比分析得出适合矿山生产的爆破方法。 1 FEM-SPH耦合理论 目前， 将有限元（FEM）法和光滑粒子流（SPH） 法耦合起来主要有两种办法 （1） 模型中与光滑粒子相接触的有限元单元， 为计算粒子和单元的相互作用力， 邻域内的单元以 粒子的方法去进行计算。 （2） 主从节点耦合算法， 将有限元节点作为主 节点， 将粒子视为单元从节点， 通过这种方式计算有 限元和光滑粒子间的相互作用力。 此处采用第（2） 种办法进行模拟计算。 粒子与单元节点接触算法接触势函数φc函数 表达式如下［ 15］ φc＝∫ ΩcK W（xi－ x） W（havg [] ） n dV（1） 2 FEM-SPH爆破岩体损伤破裂数值 模拟 2. 1 模型建立 首先， 由ANSYS／ LS-DYNA前处理是主要对有 限元部分建模、 划分网格； 再将k文件导入LS-Pre- post中， 通过Gsph对模型离散元部分建模。根据现 场爆破方案， 共设置三种不同的爆破参数（见表1） ， 模型尺寸为240 cm 200 cm 240 cm（X Y Z） ， 模型如图1所示。 图1 三种爆破方案有限元模型 Fig. 1 Three blasting s finite element model 表1 爆破参数 Table 1 Blasting parameters 模型 类型 孔径／ mm 孔深／ m 装药 段长／ m 孔网 参数／ m 预裂缝距矿 体距离／ m 排 数 原有爆破401. 50. 60. 4 0. 3／2 分层爆破401. 50. 2 20. 4 0. 3／3 预裂爆破401. 50. 2 20. 4 0. 30. 303 2. 2 模型材料参数 岩石的材料模型选择双线性随动硬化模型， 该 模型的本构关系如下 σy＝1 ＋ ε C 1 [] P （σ0＋ βEpεeff p） （2） 式中σ0为岩石的初始屈服应力，Pa；E0为杨 氏模量，Pa；ε为加载应变率，s －1； C和P为相关的 应变率参数， 由材料应变率特性决定；Ep为岩体塑 性硬化模量，Pa；Etan为切线模量，Pa；β为硬化参数， 0≤β≤1；εeff p为岩石有效塑性应变。岩石和宝玉石 的物理力学参数分别列如表2、 表3。 炸药选用*MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材 料模型， 用JWL状态方程来反映爆炸过程爆轰产物 的压力、 体积及能量间的函数关系。其表达式如下 P ＝ A 1 － ω R1 V e－R1V＋ B 1 － ω R2 V e－R2V＋ ωE 0 V （3） 式中P为爆轰产物压力；A、B均为炸药材料相 7第35卷 第4期 汪柳俊， 殷 同， 叶海旺， 等 基于FEM-SPH耦合方法的玉石地下开采爆破试验研究 万方数据 关参数；R1、R2、ω均为炸药材料常系数；V为相对体 积；E0为初始化比内能。炸药选用2＃岩石乳化炸 药， 具体参数见表4。 表2 岩石材料物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of rock ρ／ （kgm －3） E／ GPaμ 屈服强度／ MPa 动抗拉强度／ MPa 切线模量／ GPa βCP 276078. 230. 274108. 32520. 52. 54. 0 表3 玉石矿物理力学参数 Table 3 Physical and mechanical parameters of jade ρ／ （kgm －3） E／ GPaμ 屈服强度／ MPa 动抗拉强度／ MPa 切线模量／ GPa βCP 281068. 750. 26125. 1121. 80. 52. 54. 0 表4 2＃岩石乳化炸药参数［ 15］ Table 4 Parameters of 2＃rock emulsion explosive ρ／ （kgm －3） A／ GPaB／ GPaR1R2ωE0／ GPaD／（cm μs －1） 1. 2932. 1441. 820E －34. 2000. 9000. 150. 03610. 400 3 模拟结果及分析 图2是原有爆破方案的模拟结果， 炸药起爆后， t ＝199 μs时， 爆炸应力波由粒子内部传递到了模型 表面， 应力波的范围进一步扩散；t ＝ 399. 99 μs时， 爆炸应力波直接传递到底板层状玉石矿体， 对矿体 的完整性产生破坏；t ＝ 799. 58 μs后，粒子开始 飞散。 图2 原有爆破方法应力云图 Fig. 2 Stress distribution of blasting in use 图3为分层装药爆破方案的模拟结果， 分层装 药爆破方法采用三排炮孔后可以减少单孔药量， 炸 药经过分层后， 应力分布明显出现差异， 应力更早地 到达了模型边界上， 且在计算结束时可以清晰的看 到， 粒子飞散形成的“ 鼓包”范围相比于原有爆破模 型集中更加均匀。 图3 分层装药爆破方法应力云图 Fig. 3 Stress distribution of air-decked charge blasting 图4为预裂爆破加分层装药爆破方案的模拟结果， 采用预裂爆破与其它两种爆破方案最大的不同 8爆 破 2018年12月 万方数据 之处是爆炸应力波在到达预裂缝的时候不能够继续 向下传播；t ＝ 399. 72 μs， 应力在预裂缝的位置被 “ 隔断” 。 图4 预裂加分层间隔装药爆破方法应力云图 Fig. 4 Stress distribution of presplitting and air-decked charge blasting 为了定量的描述三种爆破方法玉矿石的应力波 衰减的数值， 选取相同位置测线AI上的9个测点 （ 见图5） 来进行对比分析， 输出相应的应力时程曲 线及振动速度时程曲线。 图5 模型底部AI测线上各测点示意图 Fig. 5 Test points on AI survey line at the bottom of the model 每种爆破方案对应的测点最大主应力时程曲线 以及y方向振动速度分别如图6、7、8所示。 从应力角度来看， 原有爆破和分层装药爆破模 型玉矿体上测点所受的最大主应力以及振动曲线， 二者要明显高于预裂加分层装药爆破模型。且根据 玉矿石的动态抗拉强度数据可以明显的看出二者产 生的爆炸应力波对玉矿石产生了破坏作用。 分层装药爆破方法与原有爆破方法相比， 玉矿 石中线的9个测点中有8个测点的应力峰值均有一 定的降低， 其中7个测点相对原有爆破方法， 应力则 有3. 0％ ～ 13． 5％的降低。振动速度角度来看， 分 层装药爆破方法9个测点中有6个测点振动速度有 2. 2％ ～34．2％的降低。分层装药爆破可以有效地 降低玉矿石振动速度， 降低其受损程度， 但是由于应 力数据过大， 这两种爆破方法在保证玉石矿完整性 上均不满足要求。 图6 原有爆破模型测点应力及振动速度时程曲线 Fig. 6 Curve of stress and vibration velocity of blasting in use 预裂加分层装药爆破方法相比较与原有爆破方 法在模型玉矿石中线的9个测点中所有测点的应力 峰值均有大幅度的降低， 应力衰减率平均达到70％ 以上， 其中测点G达到了96. 0％。底部玉矿石受到 的应力均小于其动态抗拉强度， 这就说明采用这种 爆破方法， 爆炸应力波不会对玉矿石产生损伤。从 振动速度峰值来看， 优势同样明显， 所有测点的振动 速度峰值均降低了80％以上。 9第35卷 第4期 汪柳俊， 殷 同， 叶海旺， 等 基于FEM-SPH耦合方法的玉石地下开采爆破试验研究 万方数据 图7 分层装药爆破模型测点应力及振动速度时程曲线 Fig. 7 Curve of stress and vibration velocity of air-decked charge blasting model 图8 预裂加分层装药爆破模型测点应力及振动速度时程曲线 Fig. 8 Curve of stress and vibration velocity of presplitting and air-decked charge blasting 4 现场试验 为优化矿山实际的生产参数， 基于数值模拟结 果， 开展现场爆破试验。结合声波探测技术， 分析不 同爆破方案下围岩损伤和矿层受扰特征， 从而得到 符合矿山实际生产需要的爆破参数和保护层厚度。 4. 1 试验方案 分别对数值模拟的三种工况进行现场试验， 表 5、6、7为三种爆破方案的相关参数。 表5 原有爆破参数 Table 5 Parameters of blasting in use 钻孔 直径／ mm 钻孔 深度／ m 药卷 直径／ mm 孔距／ cm 排距／ cm 上排孔 装药／ g 下排孔 装药／ g 401. 4323025900600 原有爆破采用连续耦合装药。采用孔间秒延期 爆破网路。炮孔布置及爆破网路如图9所示。 图9 炮孔布置以及网路连接示意图 Fig. 9 Hole layout and blasting initial network 01爆 破 2018年12月 万方数据 表6 分层装药爆破参数 Table 6 Parameters of air-decked charge blasting 钻孔 直径／ mm 钻孔 深度／ m 药卷 直径／ mm 孔距／ cm 排距／ cm 上排 孔装 药／ g 中间孔 装药／ g 下排孔 装药／ g 401. 4323025450750300 分层装药结构如图10所示， 采用孔间秒延期爆 破网路。炮孔布置及爆破网路如图11所示。 图10 分层装药结构 Fig. 10 Air-decked charge structure 图11 炮孔布置以及网路连接示意图 Fig. 11 Hole layout and network connection diagram 表7 预裂加分层装药结构爆破参数 Table 7 Parameters of Presplitting and air-decked charge blasting 钻孔直径／ mm 钻孔 深度／ m 药卷直径／ mm 孔距／ cm 排距／ cm 上排孔 装药／ g 中间孔 装药／ g 预裂孔线 装药密度／ g 401. 432302575045071. 4 主爆孔、 辅助孔和预裂孔均采用分层装药结构， 预裂孔内炸药采用导爆索引爆（ 见图12） ， 主爆孔和 辅助孔孔间采用秒延期爆破网路。爆破网路如图 13所示。 图12 预裂爆破装药结构 Fig. 12 Presplitting charge structure 图13 炮孔布置以及网路连接示意图 Fig. 13 Hole layout and blasting initial network 4. 2 试验结果分析 参照DL／ T53892007 中华人民共和国电力行 业标准水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规 范 中“ 关于判断爆破影响或基础岩体开挖质量的 标准” 。钻孔声波观测方法判断爆破影响或基础岩 体开挖质量标准。同部位的爆后波速（Cp2）小于爆 前波速（Cp1） ， 其变化率为 n ＝ 1 － Cp2／ Cp1（4） 判断标准如下 n≤10％， 爆破对岩体无影响或影响甚微； 10％ ＜ n≤15％， 爆破对岩体影响轻微； n10％， 爆破对岩体影响较大。 11第35卷 第4期 汪柳俊， 殷 同， 叶海旺， 等 基于FEM-SPH耦合方法的玉石地下开采爆破试验研究 万方数据 （1） 原有爆破效果及分析 爆破产生抛掷效果的断面， 水平与竖直方向范 围为2. 4 m 0. 8 m， 从切割平巷自由面起沿上山方 向1. 5 m的范围爆出深度达到1. 3 m，1. 5 ～ 2. 4 m 范围爆出深度为0. 9 m。由于爆破夹制作用， 在断 面中间孔底部分的顶板出现了小范围的破碎掉落， 厚度在20 cm左右。四排声波测试孔中， 上方第一 排的两个炮孔基本被炸碎。爆破效果如图14所示。 图14 原有爆破效果图 Fig. 14 Blasting effect of used blasting 试验实际爆破单耗为4. 557 kg／ m3， 远大于一般 的岩石隧道开挖爆破。靠近孔底部分波速下降较 大， 损伤较严重。考虑到采用连续耦合装药结构， 炸 药集中在孔底， 与其他区域相比， 孔底部分的损伤 大。从测试的结果来看，DH剖面波速衰减率区间 在20％ ～ 60％， 可以判定爆破产生较大的影响， 爆 破前后声波波速对比分析如表8所示。爆破产生的 裂隙圈半径到达了DH孔剖面处， 裂隙圈半径超过 0. 9 m。 （2） 分层间隔装药爆破效果及分析 爆破产生抛掷效果的断面水平与竖直方向尺寸 为2.1 m 1.0 m， 从切割平巷自由面起沿上山方向的 爆出深度达到1.3 m。顶板保护完好， 没有向上超挖 的现象。三排声波测试孔中上方第一排的A孔和D 孔孔口25 cm左右范围岩石爆破破碎， 两孔间的板岩 也存在明显的裂隙。爆破效果如图15所示。 表8 原有爆破各剖面爆破前后波速数据对比表 Table 8 Comparison of wave velocity before and after blasting with blasting in use 剖面 爆前最大 波速／ （kms －1） 爆前最小 波速／ （kms －1） 爆前最大 最小波速差／ （kms －1） 爆后最大 波速／ （kms －1） 爆后最小 波速／ （kms －1） 爆后最大最小 波速差／ （kms －1） 局部平均波速 衰减率／ ％ BG6. 0424. 0651. 9775. 3702. 9402. 43013. 5 BH5. 4954. 1781. 3175. 3512. 2453. 10611. 1 DG5. 6763. 9381. 7385. 5762. 2383. 33816. 9 DH5. 6763. 9381. 7385. 5762. 2383. 33829. 2 图15 分层装药爆破效果图 Fig. 15 Blasting effect of air-decked charge blasting 试验实际爆破单耗为3. 29 kg／ m3， 大于一般的 岩石隧道爆破开挖的单耗。爆破的损伤没有全部集 中在孔底， 基本沿声波测试孔均匀分布。CF剖面波 速变化很小， 表明最下面两个测孔受爆破影响较小， 爆破前后声波波速对比分析如表9所示。爆破的裂 隙圈半径0. 62 m。 （3） 预裂加分层装药爆破效果及分析 爆破产生抛掷效果的断面水平与竖直方向尺寸 为2. 2 m 1. 1 m。三排声波测试孔中，A、D两孔所 在的岩层在爆炸应力波的作用下被拉裂， 与下层岩 体发生了错位分离， 在B、E两孔之间、 靠近E孔的 位置岩层也有明显的裂隙。在进行爆破后的声波测 试时， 剩下的B、C、E和F四个声波测试孔可以注满 水， 孔周围没有明显的损伤裂隙， 具体见图16。爆 破前后声波波速对比分析如表10所示。 图16 预裂加分层装药效果图 Fig. 16 Presplitting and air-decked charge blasting effect 试验实际爆破单耗为2. 29 kg／ m3。从三个剖 面爆破前后数据变化可以看出， 在孔内0. 6 m以后 的岩体完整性非常高； 由于靠近孔口0. 6 m以内岩 层曾经采用原有矿山爆破方法， 岩体存在较大的损 伤微裂隙， 再次爆破又造成损伤累积， 因此数据波动 21爆 破 2018年12月 万方数据 较大。结果说明底部B、C、F三个测孔剖面之间的 岩体受到爆破的影响小， 岩石具有很好的完整性。 孔口0. 8 m至孔底爆破前后波速曲线基本吻合。 表9 分层间隔装药各剖面爆破前后波速数据对比表 Table 9 Air-decked charge blasting comparison of wave velocity data before and after blasting 剖面 爆前最大 波速／ （kms －1） 爆前最小 波速／ （kms －1） 爆前最大 最小波速差／ （kms －1） 爆后最大 波速／ （kms －1） 爆后最小 波速／ （kms －1） 爆后最大最小 波速差／ （kms －1） 局部平均波速 衰减率／ ％ BE5. 4672. 5792. 8884. 7080. 9193. 7897. 6 BF5. 9210. 9894. 9325. 6960. 9894. 7075. 5 CE6. 5381. 1565. 3824. 9081. 0903. 81814. 5 CF5. 6940. 9194. 7755. 5911. 1674. 4244. 2 EF6. 0615. 1320. 9295. 7900. 5615. 29917. 0 BC5. 0002. 5012. 4995. 0760. 5014. 5758. 1 表10 预裂加分层间隔装药各剖面爆破前后波速数据对比表 Table 10 Presplitting and air-decked charge blasting comparison of wave velocity data before and after blasting 剖面 爆前最大 波速／ （kms －1） 爆前最小 波速／ （kms －1） 爆前最大 最小波速差／ （kms －1） 爆后最大 波速／ （kms －1） 爆后最小 波速／ （kms －1） 爆后最大最小 波速差／ （kms －1） 局部平均波速 衰减率／ ％ BE5. 2913. 6531. 6384. 2031. 4192. 78427. 6 BF5. 1783. 0702. 1085. 1522. 5762. 576－0. 4 CE4. 3332. 9891. 3444. 1651. 1063. 05921. 9 CF4. 8012. 3362. 4654. 7241. 0073. 717 0. 6 BC5. 6254. 7370. 8885. 6250. 4565. 169 5. 6 EF6. 0912. 0654. 0264. 2360. 5133. 72312. 9 由此可以看出预裂孔加分层间隔装药的爆破方 法， 对于降低底部围岩的损伤具有非常好的效果。 该组爆破试验的裂隙圈半径0. 40 m。 5 结论 （1） 采用分层间隔装药方法可以将炸药的能量 沿着炮孔轴线分散， 在降低围岩及玉矿石所受的应 力上具有一定的作用。 （2） 采用预裂爆破加分层装药爆破方法， 可有 效降低爆破进尺方向的围岩的应力分布和振动强 度， 且由于预裂缝的作用， 相对于单纯的分层装药爆 破， 层状玉石矿受爆破产生的应力以及振动值大幅 衰减。 （3） 现场试验结果表明， 预裂爆破加分层装药 爆破方法相比较于原有爆破方式， 岩石破裂半径降 低了至少0. 5 m。该方法可有效减小爆破对玉石的 损伤。 参考文献（References） ［1］ 刘维平， 张永祥. 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