柱状装药爆轰方向的研究

杨泽进，李 义，王嘉乐

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

柱状装药爆轰方向的研究

杨泽进，李 义，王嘉乐

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

针对爆破中提高爆破质量和更好保护周围环境的问题，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，动态模拟柱状装药的爆破冲击过程，从等效应力云图和主应力-时间历程曲线分析，探究柱状装药爆炸中爆轰方向对应力波和主应力的影响情况，得出了柱状装药爆破中可用炸药爆轰方向来调整作用于岩体破碎能量的结论。

柱状装药；爆轰方向；动态模拟；数值计算

本文利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用ALE算法动态模拟柱状装药的爆破冲击过程，探究爆轰方向对爆炸应力分布的影响情况，得出了一些大爆破柱状装药中可用爆轰方向来控制能量分配的有益结论。

1 数值模拟计算

建模时的岩体模型尺寸按柱状装药长度的3倍左右，岩体为100 mm×100 mm×500 cm，柱状装药为12 cm×12 cm×120 cm，炸药置于岩体模型的中心。根据结构对称性和可视化,为了节约计算时间，可用1/4模型为研究对象，计算区域为50cm×50 cm×500 cm的矩形体，炸药区域为6cm×6 cm×120 cm的小矩形体，炸药区域位于计算区域的轴对称线中心，见图1。

起爆方式从柱状装药下端面起爆。网格划分采用爆炸近场网格密，中远场网格疏的不等距网格。积分时间长为1200us，步数为200步。

数值计算的岩体采用塑性随动硬化材料(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，其基本力学参数[1]如表1所示。

炸药单元的材料采用高能炸药材料（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），炸药爆轰过程中压力和比容关系[2]如下：

式中：A、B、R1、R2、W为JWL状态方程参数（试验确定的常数），如表2所示，为输入参数；V为相对体积；E0为初始内能密度。对于初始密度ρ0=1.2g/cm3的TNT装药，参数为：爆速D=5500 m/s，爆压PCJ=0.15×1011Pa。

图1 计算模型尺寸

表1 岩体模型材料基本力学参数

2 模拟结果分析

2.1 等效应力云图分析

柱状装药端面起爆的等效应力云图，见图2，表示爆炸过程中岩体介质的应力发展过程。对1/4模型分析可得：起爆时，爆炸应力以水滴状向外扩展，与之对应的是炸药爆轰波传播过程。爆轰起初，炸药从柱状装药起爆端面以球面波形式向外扩展，与此同时炸药爆轰波也由起爆端向另一端（正向）传播，波

阵面和炸药纵向形成一定的角度，并几乎保持稳定向外进行传播。随着时间推移，起爆端强能量场的应力波将衰减，而弱能量场还保持着较好的水滴状向外扩展。应力波波阵面沿着和炸药纵向固定的角度向外扩散；一定时间后，柱状装药爆轰过程结束，在柱状装药中炸药反应完全波阵面的角度逐渐减小。总之，柱状装药端面起爆（正向起爆）爆炸应力主要朝一个方向传播，即爆轰波的传播方向主要朝一个方向传播。岩体模型中的爆轰波传播正方向的应力波始终大于其反方向的应力波，即爆轰波传播正方向的岩体比其反方向更为破碎。

2.2 主应力时间历程曲线分析

表2 炸药状态方程参数

图2 柱状装药端面起爆等效应力云图

柱状装药爆轰波正方向与反方向上，任选2个对称单元，可选择x=0，y=0，但z不相同上的2个单元，得出主应力（maximum principal stress）-时间历程曲线，见图3。图中单元45663表示爆轰波正方向上（0,0,480）处的单元（线上加△），单元2313表示爆轰波反方向上（0,0,20）处的单元（线上加×）。通过图3分析可得：柱状装药爆轰波正方向的主应力明显大于其反方向的主应力。爆轰波传播反方向滞后正方向，即爆轰波传播正方向的岩体先于其反方向破碎。

图3 主应力-时间历程曲线

3 结束语

通过所述数值模拟结果的等效应力云图和主应力-时间历程曲线分析，在一定程度上揭示出：柱状装药爆炸中，爆轰波传播正方向的应力波和主应力始终大于其反方向，爆轰波传播正方向的岩体比其反方向更为破碎且先破碎。利用此理论，在大爆破柱状装药中就可利用炸药爆轰波传播方向来调整作用于岩体破碎的能量，使爆轰正方向沿没有保护物的方向传播，有保护物设置在其反方向上，使爆炸能量尽可能用到有效方面，相对降低爆炸震动的有害方面，进而保护周围环境的安全。

[1]王庆国，何章义.工程爆破起爆方向研究[J].陕西理工学院学报(自然科学版)，2010，26(4)：32-36.

[2]刑精忠，王永岗，陈晓霞.ANSYS7.0分析实例与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

Study on Detonation Direction of Column Charge

YANG Ze-jin,LI Yi,WANG Jia-le
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

To improve blasting quality and environment protection,the finite element software, ANSYS/LS-DYNA,was used to dynamically simulate the blasting process.Equivalent stress cloud chart and principal stress-time course curve were analyzed to explore the effect of detonation direction on stress wave and the principal stress in column charge.The conclusion is that the detonation direction can be used to adjust rock broken energy in the column charge explosion.

column charge;detonation direction;dynamic simulation;numerical calculation

TD235.1

A

1672-5050（2012）09-0050-02

2012-02-12

杨泽进（1987—），男，贵州印江人，在读硕士研究生，从事爆破理论及应用研究工作。

徐树文