安庆铜矿富水炮孔导爆索起爆冲击波分析
2013-08-25汪洪涛隋少飞
汪洪涛 隋少飞
(铜陵有色冬瓜山铜矿)
在深孔爆破中，采用导爆索起爆炸药具有施工方便、起爆性能可靠、起爆方式灵活等优点［1-6］。不耦合装药结构具有减少爆破震动和延长炸药爆炸的作用时间等优点。安庆铜矿的VCR采矿法大直径深孔采用导爆索起爆。爆破过程中，需要采用水孔爆破技术。本研究借助ANSYS有限元数值计算软件，模拟分析爆破索起爆后分别在空气中和在水中爆炸冲击波超压最大值与时间的关系，分析富水炮孔采用导爆索起爆的合理性。
1 模拟方法简介
安庆铜矿的VCR法如图1所示。LS－DYNA3D借助ANSYS数值模拟软件进行前处理建立计算模型。ANSYS/LS－DYNA3D的有限元数值分析流程如图2所示。钢管内的导爆索起爆模拟流程见图3。
2 空气介质爆破冲击波分析
2.1 数值模拟模型的建立
采用外径为73 mm的炮孔，采用LS－DYNA3D进行数值计算。数值计算模型中，导爆索在炮孔内部的顶端，乳化炸药放在炮孔的底部，具体模拟参数如图4所示。
2.2 数值计算结果分析
按照导爆索起爆后引发炸药爆炸冲击波压强与时间的关系如图5所示。
(1)开始起爆时，导爆索的药芯开始线性起爆。
(2)爆炸冲击波在导爆索和炮孔内壁相切最近的地方开始第1次反射。
图1 VCR法炮孔示意1—分段巷道;2—上部硐室进路;3—上部硐室;4—下部硐室进路;5—下部硐室;6—切割天井;7—溜矿井
图2 ANSYS/LS－DYNA 3D的有限元数值分析流程
图3 钢管内的导爆索起爆模拟流程
(3)爆炸冲击波以导爆索为轴心向外传播，爆炸冲击波的反射点逐渐沿炮孔的内壁向下移动。
(4)爆炸冲击波在空气中传送到药卷处，在药卷的表面产生反射并叠加冲击波。
炸药卷数值计算模型有限元2 233号单元体的超压与时间关系如图6所示。
由图6可知2 233号单元体处的冲击波压强的最大值是0.180 3 MPa，超压作用延长时间是10.8μs。
图4 空气作为爆破介质具体爆破模拟参数图(单位:cm)
图5 空气介质下爆破炮孔内的冲击波压强云图
图6 2 233号单元体的压强与时间关系图
3 导爆索在水中的爆破特性
3.1 导爆索在水中的冲击波特性分析
相对于空气而言，水具有不可压缩性，因此，水作为爆破介质具有传能性能强的特征。导爆索在水中爆炸后分为爆炸、冲击波传播、脉动3个部分，本次有限元计算模拟炮孔内导爆索爆炸后冲击波的传播、反射与叠加现象。
3.2 水中起爆数值计算结果分析
数值计算结果根据时间的变化后炮孔内的压强如图7所示。
图7 导爆索在水介质中爆炸的压强云图
(1)导爆索在水中起爆后，爆破后产生的冲击波最先开始在导爆索和炮孔的内壁相切的地方产生反射，然后冲击波沿炮孔内壁往下移动。
(2)水中爆炸冲击波沿着比较规则的柱状面向外扩张，当爆破后的时间为4.58μs左右时，水里的冲击波反射到炮孔的顶端，第2次反射后冲击波的开始形成。
(3)水中爆炸反射后的冲击波在内炮孔的内壁往下移动，直到和底部汇合。
(4)在炮孔内的底部汇集之后，当爆破后的时间为37.20μs左右时，水里面的冲击波面在炮孔的内底部开始反向反射;当爆破后得时间为43.06μs及50.03μs左右时，水中的冲击波又向炮孔的顶部开始传播形成第2次反射。
图8是导爆索在炮孔内爆炸后在水中产生冲击波的超压与时间关系图，有限元模型内第1 666单元体的超压最大值是1.14 MPa。
图8 第1 666水介质单元体的压强－时间曲线
由计算结果可知:导爆索爆炸后在水中产生的冲击波的超压值要比在空气中爆炸后产生的冲击波超压值显著加大，时间也延长。其原因是水的压缩性较小、传递能量的性能较强、冲击波的传播速度大，起爆后在炮孔内经过反复反射与叠加，使冲击波的超压最大值及作用时间都提高。
4 结论
在安庆铜矿的VCR采矿法大直径深孔爆破过程中，通常会遇到一些地下水丰富的炮孔需要采用水孔爆破技术。由有限元数值计算结果可知，炮孔中有水不仅不可能降低导爆索的起爆能力，反而会增大导爆索的起爆性能。同时，可延长冲击波作用在炮孔壁上的时间，使爆破效果更好。
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