柱状装药不同起爆方式的数值模拟研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 6 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 3N o ．2 J u n ．2 0 1 6 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 6 ．0 2 ．0 1 4 柱状装药不同起爆方式的数值模拟研究木 吴a , b 周传波“6 ，路世伟“6 ，蔡佳愿“5 ，王超“6 中国地质大学 武汉 a ．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心；b ．工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要运用三维非线性动力有限元分析程序A N S Y S ／L S D Y N A 对柱状装药3 种起爆方式下的爆轰过程 和岩石中的应力波传播特征进行模拟。分析不同起爆方式下岩石中应力波的叠加和传播过程，对比岩石的 应力状态、应力水平和振动响应。分析结果表明不同起爆方式下岩石中应力波的传播方向、大小不同，引起 的振动响应也不同；反向起爆时岩石自由面的拉应力和振动速度峰值较正向起爆时大；反向起爆时孔底近区 的应力水平较正向起爆和双向起爆时大。综合考虑岩石的应力和振动响应．可得反向起爆的爆破效果较正 向起爆和双向起爆好。 关键词柱状装药；起爆方式；应力波；振动响应 中图分类号0 3 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 7 4 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nC y l i n d r i c a lC h a r g e dE x p l o s i v e s w i t hD i f f e r e n tI n i t i a t i o n W UC h a 0 8 ’6 ，Z H O UC h u a n ．b 0 3 ，6 ，L US h i w e i 8 ，“，C A IJ i a y l l 也1 2 8 “，W A N GC h a 0 8 ，“ a ．E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fR o c k s o i l E x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o nM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ； b ．F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h en o n l i n e a rd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S D Y N A3Dw a su s e dt oe s t a b l i s han u m e r i c a lm o d e lt oa n a l y z et h ee x p l o s i o nt r a n s m i s s i o no fc y l i n d r i c a lc h a r g e de x p l o s i v e sa n dt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fi n d u c e dw a v e si nr o c km a s sw h e nt h ee x p l o s i v e sw a si n i t i a t e dw i t ht h r e ed i f f e r e n tm o d e s ．T h es u p e r p o s i t i o na n d p r o p a g a t i o np r o c e s so fs t r e s sw a v ei nr o c kw e r es t u d i e di nt h et h r e ea s p e c t so fs t r e s ss t a t e ，s t r e s sl e v e la n dv i b r a t i o n r e s p o n s e ．R e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tf i r i n gs c h e m ec a u s e dd i f f e r e n tp r o p a g a t i o nd i r e c t i o n sa n da m p l i t u d e so fs t r e s s w a v e ，t h u st h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo fr o c kw a sv a r i o u sc o n s e q u e n t l y ．T h et e n s i l es t r e s sa n dt h eP P Va tt h ef r e es u r f a c e i ni n d i r e c ti n i t i a t i o nw e r eg r e a t e rt h a nt h a ti nd i r e c ti n i t i a t i o n ．C o m p a r e dw i t hd i r e c ti n i t i a t i o na n db i d i r e c t i o n a li n i t i a t i o n ，t h es t r e s sc a u s e db yi n d i r e c ti n i t i a t i o nw a sg r e a t e r ．C o n s i d e r i n gt h es t r e s sa n dv i b r a t i o nr e s p o n s eo fr o c k ，i n d i r e c tI ’n i ‘t i ‘a t i ‘o nw a ss u p e r i o rt ot h ed i r e c ti n i t i a t i o na n db i d i r e c t i o n a li n i t i a t i o n ． K e yw o r d s c y l i n d r i c a lc h a r g e ；i n i t i a t i o nm o d e ；s t r e s sw a v e ；v i b r a t i o nr e s p o n s e 收稿日期2 0 1 6 0 1 0 8 作者简介吴超 1 9 9 2 一 ，男，硕士研究生，主要从事1 二程地质及 爆破研究， E ．m a i l 4 1 2 3 5 8 5 4 1 q q ．c o m 。 通讯作者周传波 1 9 6 3 一 ，男，教授、博士生导师，主要从事地下建 筑工程、岩土丁程、采矿工程、T 程爆破方面研究， E m a i l c b z h o u c u g ．e d u ．c n 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 1 3 7 2 3 1 2 、5 1 3 7 9 1 9 4 ；武汉 市“黄鹤英才 科技 计划”资助项目；湖北省自然科学基 金 2 0 1 4 C F B 8 9 4 ；中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目 C U G L l 4 0 8 1 7 ；中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 4 M 5 5 2 1 1 3 ；岩土钻掘与防护教育部工程研究中心开 放基金 2 0 1 4 0 1 在井巷和隧道爆破掘进等孔眼爆破中，起爆方 式是影响爆破效果的主要因素之一。在采用柱状装 药时，炮孔内的起爆位置决定着爆轰波和岩石中的 应力波的传播方向。根据炮孑L 轴线上起爆位置的不 同，起爆方式分为3 种反向起爆 起爆位置位于孑L 底附近 ；正向起爆 起爆位置位于孑L 口附近 ；双向 起爆 起爆位置位于炮孔轴向中间 ⋯。由于涉及 复杂的爆炸动力和瞬时反应过程，对起爆方式的研 万方数据 第3 3 卷第2 期 吴超，周传波，路世伟，等柱状装药不同起爆方式的数值模拟研究 7 5 究一直以试验和理论推导为主【2 引。运用三维非线 性动力有限元分析程序A N S Y S ／L S ．D Y N A 对孔眼爆 破中柱状装药3 种起爆方式下的爆轰过程进行模 拟，分析不同起爆方式下岩石中爆炸应力波的传播 过程和作用效果。 1理论分析 在实际爆破工程中，起爆点引爆后，爆轰波沿装 药轴线方向传播，经过一定时间后，炮孔内所有炸药 才能完成爆轰，爆轰波沿柱状装药轴线传播的时间 效应将对爆炸应力特征产生一定的影响J 。研究 孔眼爆破中柱状装药的爆炸，爆轰波的传播时间是 必须考虑的因素，因而不能简单地以柱面波形式来 描述柱状装药的爆炸应力。利用等效小柱状单元药 包叠加法，考虑爆轰波的传播时间，柱状装药反向起 爆后，叠加成的爆炸应力波波阵面的传播形式如图 1 所示，其中波阵面角度p 的大小取决于炸药爆速 与岩石中纵波传播速度之比J 。 图1反向起爆应力波传播示意图 F i g ．1 S t r e s sw a v ep r o p a g a t i o nw i t hb o t t o mi n i t i a t i o n 2 数值模型分析 2 ．1 模型尺寸及边界条件 参考实际巷道掘进工程中孔眼爆破的几何参 数，确定模型的尺寸。模型中炮孔长2 ．0m 、半径为 0 ．0 2m ，其中柱状药包长度为1 ．8m ，泡泥长度为 0 ．2m ，采用耦合装药。岩石模型取为圆柱体，高度 为2 ．2m 、半径为0 ．6m 。由于圆柱体具有对称性， 且考虑到网格的均匀划分，采用1 ／2 圆柱建模，圆柱 底面和侧面定义为无反射边界，顶面定义为自由面， 共划分1 1 8 6 9 0 个单元。模型如图2 所示。 2 ．2 模型算法及参数 模型计算采用多物质A L E 流固耦合算法，网格 可以根据定义的参数在求解过程中适当调整位置， 使得网格不致出现严重的畸变坤j 。围岩的材料模 型选择塑性动力学模型，该模型考虑了岩石介质材 料的弹塑性性质，能够对材料的随动强化、各向同性 强化和应变率变化等效应加以描述，在L S D Y N A 中 可以用来模拟爆破载荷下岩石的本构关系。假设模 拟的闪长岩为均质单一岩体，爆破荷载作用下闪长 岩物理力学参数见表1 。 图2 数值计算模型 F i g ．2 N u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l 表1 岩石物理力学参数‘9 】 T a b l e1 P h y s i c a la n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k 爆破炸药采用2 。岩石炸药，模拟炸药爆轰过程 中压力和比容的关系采用J W L 状态方程，该状态方 程能精确地描述爆轰产物的膨胀驱动过程0 | ，方程 如下式 P A 一南 e 呐” B - 一南 e 喝” 等 1 式中A 、B 、尺。、R 、∞为材料常数；P 为压力；V 为相 对体积；E 为初始比内能。 炸药具体参数见表2 。 表22 。岩石炸药材料参数 T a b l e2M a t e r i a lp a r a m e t e ro f2 。r o c ke x p l o s i v e s 注p 为炸药密度，”为爆速，P a 为爆轰压力。 万方数据 7 6爆破 2 0 1 6 年6 月 堵塞选取S O I L A N D F O A M F A I L U R E 材料模 型‘3 。该模型具有流体性质，可用于模拟被限制在结 构中的土或泡沫等物质。炮泥的密度为1 ．8g ／c m 3 ，剪 切模量为6 ．4 1 0 ～G P a 。 3 结果分析 柱状装药在反向起爆2 0 0I x s 和5 0 0I x s 后岩石 中的应力云图如图3 所示。由图3 a 、3 b ，爆轰 波由孑L 底向孑L 口方向传播；岩石中的爆炸应力波在 炸药爆燃处由炮孔侧壁向垂直于炮孔轴线方向传播 并迅速衰减；由爆炸应力波叠加成的高压应力波波 阵面成弧形，岩石中的应力波向垂直于波阵面方向 传播，大致指向岩石自由面。反向起爆5 0 0 “s 时， 压应力波传播至岩石自由面并发生反射，在孔口处 产生拉伸应力波，反射拉伸应力波向岩石内部方向 和沿着岩石自由面传播。 图3 反向起爆应力云图 F i g ．3 C o n t o u r so fp r e s s u r ew i t hb o t t o mi n i t i a t i o n 柱状装药在正向起爆2 0 0I X S 和5 0 0I x s 后岩石 中的应力云图如图4 所示。由图4 a 、4 b ，爆轰 波由孑L 口向孔底方向传播；岩石中的爆炸应力波在 炸药爆燃处由炮孔侧壁向垂直于炮孔轴线方向传播 并迅速衰减；由爆炸应力波叠加成的高压应力波波 豢| i 黧j l 阵面成弧形，岩石中的应力波向垂直于波阵面方向 传播，大致指向岩石内部。正向起爆2 0 0I x s 时，在 孔口处产生拉伸应力波，拉伸应力波沿着岩石自由 面传播。 图4 正向起爆应力云图 F i g ．4 C o n t o u r so fp r e s s u r ew i t ht o pi n i t i a t i o n 柱状装药在双向起爆1 0 0I X S 和3 0 0I x s 后岩石 中的应力云图如图5 所示。由图5 a 、5 b ，爆轰 波由炮孑L 轴向中部同时向孔底和孔口方向传播；岩 石中的爆炸应力波在炸药爆燃处由炮孔侧壁向垂直 于炮孔轴线方向传播并迅速衰减；由爆炸应力波叠 加成的高压应力波波阵面成椭圆形，岩石中的应力 波向垂直于波阵面方向传播，波阵面一部分指向岩 石自由面，一部分指向岩石内部。反向起爆3 0 0 汕s 时，压应力波传播至岩石自由面并发生反射，在孔口 处产生拉伸应力波，反射拉伸应力波向岩石内部方 向和沿着岩石自由面传播。 针对不同起爆方式下的应力波传播特征，在自 由面垂直于药柱轴线方向上等距选取监测点，对比 不同起爆方式下岩石自由面的拉应力和振动速度特 征；在炮孔孑L 侧壁上等距选取监测点，对比柱状装药 不同起爆方式下炮孔侧壁沿炮孔轴线方向的压应力 峰值分布特征。 根据自由面监测点的拉应力和振动速度峰值， 绘出监测点拉应力和振动速度峰值的大小及分布规 律，如图6 、图7 所示。 如图6 、图7 所示，三种起爆方式下，在垂直于 炮孔轴线方向上，各监测点的拉应力和振动速度峰 攀善蓦 攀翟蟊 万方数据 第3 3 卷第2 期吴超，周传波，路世伟，等柱状装药不同起爆方式的数值模拟研究 7 7 值都存在着明显的衰减趋势。反向起爆和双向起爆 时，各监测点的拉应力和振动速度峰值的大小和分 布规律基本一致，且大于正向起爆时各监测点的拉 应力和振动速度峰值。反向起爆和双向起爆时，各 日 山 ＼ R 倒 羰 基， 翥i L 1 监测点的拉应力和振动速度峰值衰减速度明显大于 正向起爆，随着监测点与炮孑L 轴线距离的增加，三种 起爆方式下各监测点的拉应力和振动速度峰值的大 小和衰减速度最终趋于一致。 图5 双向起爆应力云图 F i g ．5 C o n t o u r so fp r e s s u r ew i t hm i d d l ei n i t i a t i o n 图6 不同起爆方式下自由面各点拉应力峰值 F i g ．6 P e a kt e n s i l es t r e s sa tf r e es u r f a c ew i t h d i f f e r e n ti n i t i a t i o n f ∞ ● 尽 ≤ 趔 警 需 蜷 图7 不l 司起爆方式F 自由面各点振动峰值 F i g ．7 T h eP P Va tf r e es u r f a c ew i t hd i f f e r e n ti n i t i a t i o n 结合三种起爆方式下的岩石中应力波的传播特 征，分析得出反向起爆和双向起爆时，岩石中产生 的高压应力波波阵面指向岩石自由面，应力波传播 至自由面并发生反射形成强烈的拉伸应力波，加强 了岩石自由面的振动响应，有利于自由面附近的岩 石破碎；正向起爆时，岩石中产生的高压应力波波阵 面指向岩体内部，应力波的能量被无限岩体所吸收， 岩石自由面的振动响应有所降低。 根据孔侧壁监测点的压应力峰值，绘出不同起 爆方式下炮孑L 侧壁监测点压应力峰值的大小及分布 规律，如图8 所示。 图8 不同起爆方式下炮孑L 侧壁各点压应力峰值 F i g ．8 P e a kc o m p r e s ss t r e s sa tb o r e h o l ew a l lw i t h d i f f e r e n ti n i t i a t i o n 0 如图8 所示，正向起爆，在炮孔轴线方向上靠近 孔口处有一个最大的压应力峰值；反响起爆时，在靠 近孑L 底处有一个最大的压应力峰值；双向起爆时，在 靠近炮孑L 中间段有两处最大的压应力峰值，炮孔侧 壁的应力峰值基本以炮孑L 中心呈对称分布。 结合柱状装药爆轰的时间效应，分析得出反向 起爆时，由于前方爆轰区源源不断的能量补充在孔 底附近形成了一个高压静压环境。由于岩石的抗暴 强度随孑L 深而增大，而反向起爆时在孑L 底附近形成 的高压静压环境符合沿孔深分布的岩体抗爆能力的 变化规律，有利于孔底岩石的破碎。 4 结论与展望 运用数值仿真技术模拟了柱状装药不同起爆方 式下的爆轰过程和岩石中的应力波传播特征，并进 行分析。从应力水平、应力状态和振动响应三个方 面进行对比分析，得出如下结论 下转第9 1 页 万方数据 第3 3 卷第2 期袁绍国，杨坡，贾海鹏，等分段控制爆破技术在2 1 0m 烟囱拆除中的应用 9 1 上接第7 7 页 1 本次对柱状装药不同起爆方式下爆轰过程 和岩石中应力波传播特征的数值模拟，验证了柱状 装药起爆时的应力波传播并不是传统的柱面波形 式，其传播形式与起爆方式有关。 2 柱状装药不同起爆方式下岩石中应力波的 传播方向和大小不同，引起的振动响应也不同。综 合考虑岩石中应力水平、应力状态和振动响应，反向 起爆的爆破效果较正向起爆和双向起爆好。 3 本次模拟分析的炸药型号为二号岩石炸 药，对于其它型号炸药柱状装药不同起爆方式对应 力的影响有待进一步研究和对比。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 吴立，闫天俊，周传波．凿岩爆破工程[ M ] ．武汉中 国地质大学出版社。2 0 1 0 1 6 4 1 6 5 ． 朱殿柱．起爆方式影响爆破效果的分形理论分析[ J ] ． 爆破．2 0 0 1 ，1 8 S 1 1 3 ． Z H UD i a n z h u ．F r a c t a lt h e o r ya n a l y s e so fb l a s t i n ge f f e c t a f f e c t e db yf i r i n gm e t h o d s [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 1 ，1 8 S 1 1 3 ． i nC h i n e s e 杨年华．条形药包爆破破岩规律的试验研究[ J ] ．工程 爆破，1 9 9 5 ，l 1 2 0 - 2 5 ． Y A N GN i a n h u a ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nl a w so ff r a g m e n t a t i o ni nr o c kb l a s t i n gw i t hl i n e a rc h a r g e [ J ] ．E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ，1 9 9 5 ，1 1 2 0 2 5 ． i nC h i n e s e 杨年华，冯叔瑜．条形药包爆破作用机理[ J ] ．中国铁 道科学，1 9 9 5 ，1 6 2 6 6 8 0 ． Y A N GN i a n - h u a ，F E N GS h u y u ．T h em e c h a n i s mo fb i a s t i n gw i t hl i n e a rc h a r g e [ J ] ．C h i n aR a i l w a yS c i e n c e ，1 9 9 5 ， 1 6 2 6 6 8 0 ． i nC h i n e s e S T A R F I E L DAM ，P U G L I E S EJM ．C o m p r e s s i o nw a v e s g e n e r a t e di nr o c kb yc y l i n d r i c a le x p l o s i v ec h a r g e s Ac o m p a r i s o nb e t w e e nac o m p u t e rm o d e la n df i e l dm e a s u r e m e n t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s ＆M i n i n g S c i e n c e s ＆G e o m e c h a n i c sA b s t r a c t s ，1 9 6 8 ，5 1 6 5 7 7 ． [ 6 ]刘殿书，谢夫海，陈寿峰．起爆方式对岩石爆破破碎影 响的数值模拟研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ， 2 8 6 6 0 5 ．6 0 7 ． [ 6 ] L I UD i a n s h u ，X I EF u h a i ，C H E NS h o u f e n g ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no nr o c kf r a g m e n t a t i o nb yb l a s t i n gu n d e rd i f f e r e n td e t o n a t i o nm a n n e r s 『J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，2 8 6 6 0 5 6 0 7 ． i nC h i - n e s e [ 7 ]潘先峰，毛艳锋．基于A N S Y S ／L S ．D Y N A 的井巷掘进掏 槽爆破扩腔过程的数值模拟[ J ] ．煤矿爆破，2 0 1 4 4 1 9 2 4 ． [ 7 ] P A NX i a n f e n g ，M A OY a n - f e n g ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs h a f te x c a v a t i o nb l a s t i n gc a v i t ye x p a n s i o np r o c e s sb a s e d O i lA N S Y S ／L S D Y N A [ J ] ．C o a lM i n eB l a s t i n g ，2 0 1 4 4 1 9 2 4 ． i nC h i n e s e [ 8 ]王彦辉，东兆星，齐燕军．起爆方式对应力波传播规律 影响的数值模拟[ J ] ．黑龙江科技学院学报，2 0 1 0 ， 2 0 4 2 6 8 ．2 7 1 ． [ 8 ] W A N GY a n h u i ，D O N GZ h a o x i n ，Q IY a n - j u n ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fi n i t i a t i o nm e t h o d si m p a c to ns t r e s sw a v e p r o p a g a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fH e i l o n g j i a n gI n s t i t u t e o fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ，2 0 1 0 ，2 0 4 2 6 8 2 7 1 ． i nC h i n e s e [ 9 ] 罗学东，朱小红．坚硬岩石条件下九孔掏槽方式的数 值模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 3 1 7 ．2 2 ． [ 9 ] L U OX u e d o n g ，Z H UX i a o h o n g ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o n0 n 9 - h o l e sc u t t i n gm o d ei nh a r d r o c km a s s [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 5 ，2 2 3 1 7 2 2 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ]宁建国，王成，马天宝．爆炸与冲击动力学[ M ] ．北 京国防工业出版社。2 0 1 0 9 0 - 9 1 ． [ 11 ]李萍．渐进式大直径空孔螺旋掏槽爆破参数的研 究[ D ] ．武汉武汉理工大学，2 0 1 0 ． [ 11 ] L IP i n g ．S t u d yo nb l a s t i n gp a r a m e t e ro fp r o g r e s s i v el a r g e h o l es p i r a l c u t t i n g [ D ] ．W u h a n W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，2 0 1 0 ． i nC h i n e s e 万方数据