城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 015 城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究* 高腾飞， 张智宇， 王鑫尧， 马 军， 李祥龙 （昆明理工大学 国土资源工程学院， 昆明 650093） 摘 要 以昆明市某深基坑爆破开挖工程为背景， 构建浅孔逐孔起爆的三维数值计算模型， 对不同延时的 应力时程和质点峰值振速进行数值模拟， 获得浅孔逐孔起爆的合理延时。模拟研究结果表明 延时 35 ms、 50 ms均可获得良好的岩石破碎效果， 但延时 35 ms 引起的质点峰值振速更小， 故针对工程要求的松动爆破， 延时 35 ms 的逐孔起爆模型效果更佳。现场试验结果表明 延时 35 ms 的方案从岩石破碎、 飞石及振动等各 方面综合来看， 效果是最佳的， 验证了数值模拟计算结果的正确性。 关键词 浅孔爆破；逐孔起爆；合理延时；数值模拟 中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0078 -06 Study on Reasonable Interval Time of Hole-by-hole Initiation in Town Short-hole Blasting GAO Teng-fei， ZHANG Zhi-yu， WANG Xin-yao， MA Jun， LI Xiang-long （Faculty of Land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China） Abstract Taking the blasting excavation project of a deep foundation trench in Kunming as the background， the 3D calculation model of short-hole blasting by hole-by-hole initiation was established to simulate the stress time-his- tory and the paticular peak velocity of different delay time， and got the reasonable interval time of hole-by-hole initia- tion The results of simulation show that the delay time 35 ms or 50 ms can get good rock fragment effects， but the pa- ticular peak velocity of delay time 35 ms smaller， so the hole-by-hole initiation whith 35 ms interval can get better effects according to the required loosening blasting of project The results of field test also proved that the plan of de- lay time 35 ms can get the best effects from comprehensive consideration of rock fragment， fly rock and blasting vi- bration， validated the results of numerical simulation Key words short-hole blasting；hole-by-hole initiation；reasonable delay time；numerical simulation 收稿日期 2015 -11 -01 作者简介 高腾飞 （1988 - ） ， 男， 硕士研究生， 从事工程爆破技术与 安全研究，（E-mail）136456566 qq com。 通讯作者 张智宇 （1973 - ） ， 男， 副教授， 从事爆破技术与安全研究， （E-mail） 924221851 qq com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51564027） ； 云南省应用基础研 究计划基金资助项目 （2013FZ036） 近十多年来， 国内外露天深孔浅孔爆破和土石 方开挖工程爆破中大量采用了逐孔起爆技术 ［1］。 逐孔起爆技术主要的特点是降低爆破振动、 有效利 用爆炸能、 改善爆破质量、 提高铲装效率、 降低穿爆 成本。要实现逐孔起爆技术效果， 一定要有一个合 理的孔间毫秒延时时间， 对改善爆破质量和降低地 震效应具有十分重要的作用 ［2］。目前， 针对不同的 岩体， 选择合适的最优爆破参数和最佳毫秒延时时 间仍是需要解决的技术难题 ［3］， 国内外许多学者在 这方面做了大量的研究 ［4］， 但目前还主要局限在理 论计算和经验取值， 这样得出的延时时间往往不一 定适合实际情况。 由于实现孔间毫秒延时爆破的关键是合理确定 毫秒延时时间 ［5］， 而爆破过程的复杂性， 限制了对 爆破毫秒延时时间机理的深入研究， 故考虑利用数 值模拟技术， 再现爆破过程， 模拟不同毫秒延时时间 的爆破效果。因此从研究特定岩石在双孔爆破作用 下不同毫秒延时时间所产生的影响出发， 根据工程 的岩石力学性质， 进行了数值模拟计算。目的是观 察岩石介质在双孔毫秒延时爆破作用下应力响应情 况， 以此分析寻找合理的延时时间， 为爆破参数优化 提供参考数据。 1 数值模拟计算模型的建立 数值模拟软件的选择取决于数值模拟目的， 数 值模拟计算类似于现场试验， 可在一定程度上反映 工程实际情况。ANSYS/ LS-DYNA 程序是目前国际 上用于动态模拟的最主要技术之一， 被广泛用于民 用、 军用等工程领域， 故数值模拟软件最终选择采用 LS-DYNA。 1 1 工程概况 昆明市某深基坑爆破开挖工程， 设计开挖石方 总量 20 万 m3， 场地以侏罗系上统安宁组 （j3a） 中等 风化钙质泥岩为主。由于爆区周围环境复杂， 离基 坑最近的砖混结构房屋只有 12m， 故选择采用浅孔 逐孔毫秒延时松动爆破。为防止振动波的叠加和振 动对周围环境的影响， 必须严格控制最大单孔药量、 一次起爆总药量和孔间延时 ［6］， 爆破参数见表 1。 表 1 爆破参数 Table 1 Blasting design parameters 底盘抵 抗线/ m 孔径/ mm 台阶高度/ m 孔距/ m 排距/ m 孔深/ m 炸药单耗/ （kgm -3） 最大单孔 药量/ kg 一次起爆 总药量/ kg 1 0402 51 501 402 750 301 2032 1 2 炸药材料模型 炸药采用高能炸药材料模型 （MAT HIGH EX- PLOSIVE BURN） 描述 ［7］， 该模型可以模拟炸药的 爆轰过程。炸药采用 1 号岩石乳化炸药， 结合 jWL 状态方程 ［8］， 来模拟炸药爆炸过程中的压力与体积 的关系 P A 1 - ω R1 V e-R1V B 1 - ω R2 V e-R2V ωE 0 V （1） 式中 P 为爆轰气体产物的压力； A、 B 为材料常数； R1、 R2、 ω 为无量纲常数； V 为爆轰产物相对体积； E0 为炸药的初始比内能。 1 号岩石乳化炸药 （密度为 1200 kg/ m3， 爆速为 4500 m/ s） 的 jWL 状态方程参数见表 2。 1 3 岩石本构关系 由于岩石是一种非连续的、 各向异性的、 非均质 的并且带有缺陷的流变介质， 很难进行定量分析。 弹塑性模型与工程实际具有更好的契合度， 能够较 好的反映岩体的实际特征。故岩石的本构关系采用 LS-DYNA 中的弹塑性硬化材料模型 （MAT PLASTIC KINEMATIC） 描述， 此材料模型考虑了岩石介质材 料的弹塑性性质， 并且能够对材料的强化效应 （随 动强化和各向同性强化） 加以描述， 同时带有失效 应变。由于 MAT PLASTIC KINEMATIC 材料模型 不能考虑岩石材料的抗拉强度， 使用 MAT ADD E- ROSION 选项来设置岩石的抗拉强度 ［9］。岩石材料 的基本力学参数如表 3 所示。 表 2 1岩石乳化炸药材料参数 Table 2 The parameters of 1 rock emulsion explosive 密度/ （kgm -3） 爆速/ （ms -1） PC-j/ GPa V0A/ GPaB/ GPaR1R2 ω E0/ GPa 1 2 1034 50 1035 151 00189 600 184 251 000 154 22 表 3 岩石材料参数 Table 3 The rock parameters 岩石 密度/ （kgm -3） 弹性模量/ Pa 泊松比 抗拉强度/ Pa 抗压强度/ Pa 切线模量/ Pa 泥岩2 46 1032 24 10100 251 30 1061 68 1081 00 107 1 4 计算模型构建 本次数值模拟采用 3D solid164 单元类型， 岩石 和炸药的材料模型和参数如上分析所述。以不小于 炮孔的三倍孔距和排距大小建立三维浅孔爆破模 97第 33 卷 第 1 期 高腾飞， 张智宇， 王鑫尧， 等 城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究 型， 模型中设置两个炮孔， 炮孔直径 40 mm， 孔深 2 75 m， 最大单孔药量 1 2 kg， 模型高度 4 m， 炮孔 内顶部自由面至底部分别为 填塞材料 1 5 m、 药柱 高度 1 25 m 和预留 1 25 m 的岩石底部。建立的 1/2 模型尺寸为 20 m 3 5 m 4 m， 模型尺寸和炮 孔布置如图 1 所示。本工程爆破时大部分情况下只 有爆区上方地表面有自由面， 数值模拟时亦将模型 的上方地表面定义为自由面， 模型的其余面则设置 为无反射边界条件。模型网格划分如图 2 所示。 图 1 模型 （单位 m） Fig 1 Model （unit m） 图 2 模型网格划分 Fig 2 Meshing model 2 计算结果及分析 通过数值模拟计算可得到模型特定位置处应力 时程曲线、 速度时程曲线、 加速度时程曲线等并能显 示应力、 速度、 加速度等参量的最大、 最小值。参考 国内部分工程逐孔爆破实际应用的毫秒延时间隔时 间， 选取25 ms、 35 ms、 50 ms、 75 ms 四种延时建立逐 孔起爆数值计算模型， 并进行计算分析。 2 1 应力分布云图 图 3 为延时 35 ms 的逐孔起爆岩体顶部自由面 不同时刻的应力分布云图。 分析图 3 可知 （1） 结合图 3 （a） 图 3 （c） 可以看出 第 1 炮孔 起爆后， 应力波以爆源为中心， 随着时间的推移向四 周传播。不到 1 ms， 应力波到达顶部地表自由面， 应力波和反射波发生干涉。 （2） 结合图 3 （d） 图 3 （f） 可以看出 第 35 ms 时刻第 2 炮孔开始起爆， 第 37 ms 时刻应力波传播 到顶部地表自由面并开始反射， 第 38 ms 时刻炮孔 间应力波相互叠加、 应力值明显加强， 能够增强对岩 石的破坏作用。此外， 从云图上不同颜色 （代表不 同的应力值） 的分布状况可以看出不同区域应力值 加强的程度有所不同。第 39 ms 时刻炮孔间应力波 相互叠加明显， 而应力值却开始迅速减弱。 2 2 单元体应力时程 为了研究不同延时对岩石破碎效果的影响， 选 取不同延时的计算模型顶部自由面炮孔连线中点同 一提取单元进行爆破应力波分析， 见图 4。 图 3 不同时刻的应力分布云图 Fig 3 Stress nephogram of different time 分析图 4 可知 （1） 25 ms、 35 ms、 50 ms、 75 ms 四种毫秒延时逐 孔起爆模型炮孔连线中点处最大应力值分别为 13125 MPa、 1 3005 MPa、 1 3083 MPa、 1 3089 MPa， 均大于爆区岩石的抗拉强度 1 3MPa， 能满足岩石破 碎的要求。为使岩石碎而不抛， 炮孔连线中点处最 大拉应力应略大于岩石抗拉强度即可。基于以上分 析， 延时 35 ms 的逐孔起爆炮孔连线中点最大应力 值在 4 组应力值中最小， 刚好大于 1 3 MPa， 是达到 岩石碎而不抛要求的最佳方案。 08爆 破 2016 年 3 月 （2） 35 ms、 50 ms 两种毫秒延时逐孔起爆模型 炮孔连线中点处最大应力值出现次数较多， 说明采 用这两种延时进行逐孔起爆炮孔间应力波叠加效果 较好， 应力加强区出现的周期缩短， 可增加对岩石的 破碎次数， 从而改善岩石破碎效果。 综上所述， 35 ms、 50 ms 两种毫秒延时逐孔起爆模 型均能获得良好的岩石破碎效果。其中， 延时35 ms 的 逐孔起爆方案对于满足松动爆破要求效果更佳。 图 4 不同延时的应力时程 Fig 4 Stress time-history curve of different time 2 3 节点峰值振速时程 合理延时的确定还应考虑对爆破振动的影响。 为此， 选取不同延时的计算模型顶部自由面距离爆心 10 m 同一提取节点进行质点峰值振速分析， 见图5。 图 5 不同延时的质点峰值振速 Fig 5 The particular peak velocity of different time 18第 33 卷 第 1 期 高腾飞， 张智宇， 王鑫尧， 等 城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究 由图 5 可知 （1） 25 ms、 35 ms、 50 ms、 75 ms 四种毫秒延时逐孔 起爆模型质点峰值振速最大值分别为 017871 cm/ s、 016607 cm/ s、 0 17233 cm/ s、 018289 cm/ s， 出现时刻 分别在 94 ms、 93 ms、 82ms、 65 ms。由此可见， 在距 离爆心 10 m 处， 采用不同毫秒延时进行逐孔起爆 其相应的质点峰值振速最大值出现时刻均滞后于 第 2 炮孔起爆时间， 说明距离爆心 10 m 处位于应 力加强区。 （2） 四种毫秒延时逐孔起爆模型距爆心 10 m 处质点峰值振速相差最大约 0 016 cm/ s， 延时35 ms 的逐孔起爆模型质点峰值振速最小， 延时 50 ms 的 次之。 3 现场试验效果 根据前面优选的延时 35 ms 和 50 ms 两种方案 在现场进行了三次对比试验， 图 6 是其中一次试验 后的爆破效果。 图 6 爆后效果 Fig 6 Blasting results 从现场观察来看， 三次对比试验爆后岩体破碎 效果均较好。其中， 延时 35 ms 的爆破爆后爆堆比 较集中， 没有产生飞石， 达到了最好的松动爆破效 果； 延时 50 ms 的爆破爆后爆堆也相对集中， 但是产 生了一些飞石， 对周围环境安全相对不利。 对三次对比试验进行了爆破振动测试， 除延时 外， 其他参数不变， 测点距离均为 20 m， 结果见表 4。 表 4 爆破振动测试结果 Table 4 The testing results of blasting vibration 试验 次序 延时 35 ms 峰值振速/ （cms -1） 延时 50 ms 峰值振速/ （cms -1） 10 1130 125 20 1090 121 30 1150 131 从爆破振动测试结果来看， 三次试验延时35 ms 的振动均比延时 50 ms 的振动小。故从爆破效果和 飞石及振动等安全因素综合考虑， 延时 35 ms 应为 最佳方案， 和数值模拟计算结果一致。 4 结论 （1） 构建了浅孔逐孔起爆的三维数值计算模 型， 对不同延时的应力时程和质点峰值振速进行了 数值模拟， 根据模拟结果， 延时 35 ms、 50 ms 均可获 得良好的岩石破碎效果， 但延时 35 ms 引起的质点 峰值振速更小。故针对工程要求的松动爆破， 延时 35 ms 的逐孔起爆模型效果更佳。 （2） 根据现场对比试验， 延时35 ms 的方案从岩 石破碎、 飞石及振动等各方面综合来看， 效果是最佳 的， 和数值模拟计算结果一致， 验证了数值模拟计算 结果的正确性。 参考文献 （References） 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