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第3 2 卷第2 期 爆破 V o l 3 2N o 2 2 0 1 5 年6 月B L A S T I N G J u n ．2 0 1 5 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 5 ．0 2 ．0 11 不同掏槽形式成腔过程比较数值分析木 杨国梁，冯栋凯，冀文欢，高勇，周玉龙 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要掏槽爆破是决定巷道掘进速度的关键，提高掏槽爆破质量是实现巷道快速掘进的前提。数值计算 的发展使掏槽爆破模拟成为可能，采用显式动力分析软件L S ．D Y N A ，对深孔直眼掏槽和楔形掏槽爆破过程 进行模拟。通过对比分析发现，楔形掏槽炸药爆炸后产生的强压缩波很快发生叠加，这种强烈的叠加作用促 使波阵面的形状发生了变化．应力波阵面转变为近似平面。直眼掏槽时沿装药段能量分布相对均匀，楔形掏 槽在炮孔底部两侧的能量分布差距明显，必然导致楔形掏槽形成的槽腔更加狭长。楔形掏槽对于硬岩爆破 更为有效。 关键词巷道掘进；掏槽爆破；数值模拟；应力场 中图分类号U 4 5 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X f 2 0 1 5 0 2 0 0 5 9 0 5 N u m e r i c a lA n a l y s i so fC o m p a r i s o no fC a v i t i e s F o r m a t i o nb yD i f f e r e n tC u t t i n gP a t t e r n s Y A N GG u o l i a n g ，F E N GD o n g k a i ，J lW e n h u a n ，G A Oy 0 凡g ，Z H O UY u l o n g S c h o o lo fM e c h a n i c sa n dC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t C u tb l a s t i n gd e t e r m i n e st h ee x c a v a t i o ne f f i c i e n c yo ft u n n e lg r e a t l y ．T h ee x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r eL S D Y N Aw a sa p p l i e dt os i m u l a t ep a r a l l e la n dw e d g eh o l e sc u tb l a s t i n g ．R e s u l ts h o w e dt h a ts t r o n gw a v ef r o m w e d g ec u to v e r l a p p e dq u i c k l yt h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，w h i c hc a u s e dt h ew a v e f r o n ts h a p ec h a n g e da n ds t r e s s w a v e f r o n tt u m e dt ob ep l a n e ．T h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ni np a r a l l e lc u tw a sr e l a t i v e l yu n i f o r m ，w h i l eb i gd i f f e r e n c ee n e r - g Yd i s t r i b u t i o ne x i s t e di nb o t hs i d e so ft h eb o t t o mw e d g eC u t ，w h i c hi n e v i t a b l yc a u s e dal o n g e ra n dn a r r o w e rc a v i t yi n w e d g ec u tb l a s t i n g ． K e yw o r d s t u n n e le x c a v a t i o n ；c u tb l a s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r e s sf i e l d 随着我国对能源需求不断增加，对巷道掘进效 率提出了更高的要求，普通浅孔爆破已经不能满足 生产需要，巷道掘进工程对深孔爆破 孔深大于 2 ．5m 提出了迫切需求。随着炮孑L 深度增加，岩石 夹制作用显著增加，掏槽爆破更加困难，如何提高深 孔掏槽爆破质量已经成为亟待解决的重要问题。掏 收稿日期2 0 1 5 0 1 1 5 作者简介杨国梁 1 9 7 9 一 ，男，博士后，主要从事爆炸与冲击方便 的教学科研工作， E m a i l y a n 9 9 1 5 3 1 1 2 6 ．t o m 。 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 1 3 4 0 2 5 ；国家自然科学 基金面上项目 5 1 2 7 4 2 0 3 、5 1 3 7 4 2 1 0 ；中央高校基本科研 业务专项基金项目 2 0 11Q L 0 1 ；大学生创新试验计划 槽爆破按照其炮眼布置角度可分为直眼和楔形掏槽 两种，对浅孔掏槽已经进行了大量研究。单仁亮等 就掏槽孔采用不同深度时的爆破特性进行了研 究⋯。杨国梁等研究了复式楔形掏槽爆破方法心。。 谭海文等研究了坚硬岩石条件下，采用不同掏槽的 爆破效果旧J 。周传波等采用模型和现场试验对准 直眼爆破方式进行了研究M 。J 。文献调研发现，采 用模型和现场试验仅能对爆破效果进行统计，无法 分析掏槽爆破的成腔过程。通过数值计算对深孔直 眼和楔形掏槽爆破过程进行模拟，再现其成腔过程。 通过对比分析应力场的分布规律，揭示不同掏槽下 万方数据 6 0 爆破2 0 1 5 年6 月 槽腔形成的机理，促进爆破理论发展，以期指导工程置相同。 实践。 1 数值计算模型 数值计算中，岩石采用普氏系数为1 5 的砂岩， 岩石采用J H C 模型，J H C 模型适合在大应变、高应 变和高压力条件下使用，岩石的等效强度与压力、应 变率和损伤有关。模型中采用M A T _ H I G H E X P L O ． S I V E B U R N ，结合J W L 状态方程来模拟炸药爆炸过 程中压力与体积的关系，材料的力学参数见表1 和 表2 。 表1 砂岩材料物理力学参数 T a b l e1 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k 表2 炸药材料物理力学参数 T a b l e2P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fe x p l o s i v e 模型的长、宽和高分别为2m 、2m 和3 ．5m 。 炮孔深为3m 。炮孔布置如图1 所示，炮孔直径为 3 6m m ，炸药采用三号水胶炸药，直径2 8m m ，装药 长度为1 ．3m ，堵塞长度1 ．7m ，采用底部反向起爆 方式。楔形掏槽中6 个楔形孔与工作面的夹角均为 8 4 0 ，孔底眼间距为2 0c m ，炮孔位置与直眼掏槽布 f lil 』 L 一 ．f 图l 掏槽爆破模型 单位m m F i g ．1 M o d e lo fc u tb l a s t i n g u n i t m m 2 应力波传播过程比较分析 三维数值模拟结果真实地再现了炸药在炮孔内 爆炸后应力波的传播、反射和叠加的复杂过程。如 图2 所示，采用直眼掏槽爆破时，应力波在岩体内呈 现锥形传播，在传播至炮孔顶端后，应力波急剧衰 减，近似成平面传播，随后在7 8 0I x s 时刻，应力波传 播至自由面，形成反向拉伸波，开始沿正向传播，此 后槽腔内岩体发生更加复杂的应力波反射叠加现 象。数值模拟得到了应力波在槽腔内传播的细观过 程。将楔形与直眼掏槽应力波的传播进行比较，发 现采用楔形掏槽时，由于炮孔底部距离较近，炸药爆 炸后产生的强压缩波很快发生叠加，这种强烈的叠 加作用促使波阵面的形状发生了变化，应力波阵面 由直眼掏槽时的锥形面转变为近似平面。这种在炮 孑L 中部强烈的应力波叠加必将造成炮孔底部掏槽孔 所包夹区域内岩石发生严重破碎。 淘～1 ‘～i ～ a 直眼掏槽 a P a r a l l e lh o l ec u tb l a s t i n g 对～；‘～{ ‘- b 楔形掏槽 b W e d g eh o l ec u tb l a s t i n g 图2 不同掏槽爆破应力传播过程比较 F i g ．2C o m p a r i s o no fs t r e s sw a v ep r o p a g a t i o np r o c e s sw i t hd i f f e r e n tc u tb l a s t i n gm e t h o d s 万方数据 第3 2 卷第2 期杨国梁，冯栋凯，冀文欢，等不同掏槽形式成腔过程比较数值分析 6 l 3 爆腔形成过程模拟结果分析 在炮孔底部起爆点周围取6 个观测点 直眼与 楔形炮孑L 测点布置相同，见图3 、图4 ，记录爆破后 应力场叠加过程中各测点的有效应力随时间变化过 程，如图5 所示。由图5 可知，炮孔中心C 点有效应 力峰值最高，达到1 1 0M P a ，其次为B 点，应力峰值 为9 3M P a ，测点A 初始应力峰值为3 5M P a ，而后逐 渐升高，最终达到7 5M P a ，D 、E 和F 点的压力峰值 分别为3 5M P a 、4 9M P a 和5 8M P a 。 a 直眼掏槽 P a r a l l e lh o l ec u tb l a s t i n g m 】Ⅵ’e d g eJ 】l } 】I ，‘L l Ii j a s i 1 。 图3 楔形掏槽孑L 底应力波传播过程 F i g ．3P r o p a g a t i o np r o c e s so fs t r e s sw a v eo fb o t t o mw i t hw e d g ec u t 对照爆破过程中炮孔底部有效应力云图 图3 ，对各测点有效应力曲线进行分析。分析可 知，炸药爆炸后，爆轰波冲击炮孑L 壁形成强应力波在 各个炮孔周围以圆形面向外传播。0 ．1 2m s 时刻， 在炮孔中心处，有效应力发生叠加，即C 点附近为 第一个应力叠加区。应力波进一步传播，0 ．2m s 在 临近C 点的B 点处发生再次叠加。同时发现A 点 有效应力峰值缓慢增加，这主要是由距A 点较远的 各炮孔爆炸产生的应力波相互叠加导致的。比较掏 槽孔外侧的测点D 、E 和，点，发现有效应力由下至 上呈现增长趋势，且在F 点有效应力出现多个峰值 点，可见距离炮孔较远时，应力波的叠加作用已经相 当微弱，已经不能对岩体形成有效的破碎。 4 炮孔装药段有效应力模拟结果分析 为了进一步揭示在直眼掏槽下应力波沿轴向在 岩体中的传播规律，在模型侧面和底部中心处，沿炮 孔装药段分别设置了5 个测点 图6 中S 为直眼掏 槽；W 为楔形掏槽 。分别提取各测点的应力峰值， 绘制在同一坐标系中，如图7 所示。 数值模拟结果发现，直线S l 上测点A ～E 的有 效应力峰值呈现出缓慢增长趋势。而沿直线s 2 上 测点的有效应力在炮孑L 底部较小，在炮孔中部达到 最大，在炮孔顶部有所下降。同时发现，鸵曲线位 于．s l 的上方，将．s 1 和舵上对应的各测点应力峰值 进行比较，其应力差值最大处发生在B 点，最大为 1 0 7M P a ，最小值在E 点，为3 1M P a 。采用楔形掏槽 爆破时，楔形炮孑L 和中心炮孔爆炸形成的应力波在 直线形1 处形成了强叠加，因而造成了朋上各测点 的平均有效应力大于2 2 0M P a 。而在另一侧 W 2 侧 ，由于距离炮孔较远，应力波传播至W 2 上各测 点时，应力波衰减剧烈，平均应力峰值小于1 0 0 M P a 。采用楔形掏槽时，在炮孔集中一侧，应力波叠 加作用显著；在背离楔形炮孔的另一侧，应力波衰减 严重。 B ”_ “ DH ，m 图4 炮孔底部测点分布图 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t s 万方数据 6 2 爆破 0 ．51 ．O1 ．52 ．O T i m e l E 一0 3 a 直眼掏槽 a P a r a l l e lh o l ec u tb l a s t i n g 0 ．2 5 O0 ．51 ．O1 ．5 T i m e ／ E - 0 3 b 楔形掏槽 b W e d g eh o l ec u tb l a s t i n g 图5 孔底各测点有效应力曲线 F i g ．5 C u r v eo fe f f e c t i v es t r e s so fm e a s u r i n gp o i n t s 数值模拟结果表明，直眼掏槽时沿装药段能量 分布相对均匀。楔形掏槽爆破在炮孔底部集中一侧 和稀疏一侧的能量分布差距明显，这种能量分布上 的差距必然会导致采用上述两种不同掏槽方式时， 2 ．0 槽腔形状与体积的差异采用楔形掏槽形成的槽腔 形状较直眼掏槽更加狭长；采用楔形掏槽底部应力 汇聚作用较强，对于破碎强度更大的岩石较直眼掏 槽更为有效。 图6 装药段轴向测点分布图 F i g ．6 D i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t sa l o n gc h a r g e 2 直眼掏槽时沿装药段能量分布相对均匀，楔 ；．1形掏槽爆破在炮孔底部两侧的能量分布差距明显， 这将导致楔形掏槽形成的槽腔更加狭长。 3 楔形掏槽底部应力叠加明显，应力峰值更 大，楔形掏槽对于破碎硬度更大的岩石更为有效。 图7 不同掏槽形式下测点有效应力峰值 F i g ．7 P e a kv a l u e so fe f f e c t i v es t r e s su n d e rd i f f e r e n tc u tt y p e s 5 结论 1 楔形掏槽爆破后产生的强压缩波迅速叠加， 强烈的叠加作用促使波阵面的形状发生变化，阵面 由直眼掏槽时的锥形变为近似平面。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 单仁亮，马军平，赵华，等．分层分段直眼掏槽在石 灰岩井筒爆破中的应用研究[ J ] ．岩石力学与工程学 报，2 0 0 3 ，2 2 4 6 3 6 6 4 0 ． [ 1 ] S H A NR e n - l i a n g ，M AJ u n p i n g ，Z H A OH u a ，e ta 1 ．A p p l i - c a t i o no fs t a g e db u r n c u ti ns h a f t b l a s t i n gi nl i m e s t o n e 『J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 4 6 3 6 6 4 0 ． i nC h i n e s e [ 2 ]杨国梁，姜琳琳，杨仁树．复式楔形深孔掏槽爆破研究 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 1 3 ，4 2 5 7 5 5 - 7 6 0 ． [ 2 ] Y A N GG u o - l i a n g ，J I A N GL i n l i n ，Y A N GR e n ．s h u ．I n v e s t i g a t i o no fc u tb l a s t i n gw i t hd u p l e xw e d g ed e e ph o l e s [ J ] ． 心 m 吣 ％ 舛 毗 o 0 O O 0 O 0 0 O O 0 0 O O O 0 O 0 拍M 控加博M M 他m 0 0 日厶昌专总皂k∞I芑A≮嘲 万方数据 第3 2 卷第2 期杨国梁，冯栋凯，冀文欢，等不同掏槽形式成腔过程比较数值分析 6 3 上接第3 2 页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 张涛，郭学彬．边坡爆破震动高程效应的实验分析 与研究[ J ] ．江西有色金属，2 0 0 6 ，2 0 4 1 0 ．1 3 ． Z H A N GT a o ，G U OX u e b i n ．E x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n d s t u d i e so fe l e v a t ee f f e c t o fs l o p eb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] ． J i a n g x iN o n f e r r o u sM e t a l s ，2 0 0 6 ，2 0 4 1 0 - 1 3 ． i nC h i n e s e 蒋楠，周传波，平雯，等．岩质边坡爆破振动速度 高程效应[ J ] ．中南大学学报，2 0 1 4 ，4 5 1 2 3 7 ．2 4 3 ． J A N GN a n ，Z H O UC h u a n b o ，P I N GW e n ，e ta 1 ．E l e v a t i o n e f f e c t o fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yi nr o c ks l o p e [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t h U n i v e r s i t y ，2 0 1 4 ，4 5 1 2 3 7 - 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2 1 9 4 ． C H E NM i n g ，L UW e n b o ，L IP e n g ，e ta 1 ．E l e v a t i o na m p l i f i c a t i o ne f f e c t o fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yi nr o c ks l o p e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 11 ，3 0 11 2 1 8 9 2 1 9 4 ． i nC h i n e s e 周同岭，杨秀甫，翁家杰．爆破地震高程效应的实验研 究[ J ] ．建井技术，1 9 9 7 ，1 8 S 1 3 1 3 4 ． Z H O UT o n g l i n ，Y A N GX i u f u ，W O N GJ i a - j i e ．E x p e r i m e n t a ls t u d i e so fe l e v a t ee f f e c t o fb l a s t i n gv i b r a t i o n | JI ． M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 8 S 1 3 1 3 4 ． i n C h i n e s e 郭学彬，肖正学，张志呈．爆破振动作用的坡面效应 [ J ] ．岩土力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 1 8 3 ．8 7 ． G U OX u e b i n ，X I A OZ h e n g x u e ，Z H A N GZ h i c h e n g ．S l o p e e f f e c to fb l a s t i n gv i b r a t i o n 『JI ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e ． c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，2 0 1 8 3 8 7 ． i nC h i n e s e ]j]_]J]J]J]J]J 5 6 6 7 7 8 8 r L r l f L r L r l r l r L 万方数据