炮泥堵孔在爆破中的作用模拟研究

崔新男，王湖鑫，吴永刚

（1．北京国信安科技术有限公司，北京100160；2．北京矿冶研究总院，北京100160）

将炮孔内装药后的剩余空间用一定的材料充填起来叫堵孔（也称充填），堵孔所用材料习惯上叫炮泥或者充填材料。

堵孔在爆破过程中发挥着重要作用，但是在实际爆破作业中，经常忽略其作用。目前广泛采用的一种装药方式就是炮孔全长装满炸药而不进行堵孔，这种装药方式虽然简单易行，但是由于没有堵孔，爆生气体的作用效果被大大削减，还增加了炸药的消耗量。

1 堵孔的作用

1）提高爆破效果

炸药爆炸破碎岩石是应力波和爆生气体共同作用的结果。应力波的作用是粉碎炸药近区岩石，使远处岩石内产生裂隙。爆生气体的作用是楔入已经产生的岩石裂隙使其进一步扩展并将破碎的岩石抛掷出去。堵孔的作用就在于阻碍爆生气体过早得从炮孔中扩散出去，使炮孔在相对较长时间内处于高压状态。另外，气体进入裂隙中还有利于分割岩石。

2）有利于爆破安全

良好的堵孔可以使炸药在爆炸中充分氧化，减少有害气体的生成量，对于露天爆破而言可以减少飞石的危害，对井下爆破可以降低爆破作业对井下环境的破坏。在煤矿爆破中，堵孔可以降低爆生气体逸出工作面的速度和压力，减少引燃瓦斯煤尘的可能性，同时由于堵孔可以阻止爆破产生的火焰和灼热固体颗粒从炮孔中喷出，也有利于防止瓦斯和煤尘爆炸。

另外，经研究发现，在普通水炮泥中加入一定量的添加剂，可以降低溶液表面张力，提高爆炸瞬间的雾化效果，加快粉尘沉降速度［1］。

2 ANSYS LS－DYNA软件简介

有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下各类响应的方法［2－3］。它用被称为“单元”的离散块体来模拟实物。模型中所有单元响应的“和”给出了模型的总体响应。单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限元”法。有限元法建立在固体流动变分原理基础之上，被分析物体离散成为许多小单元后，给定边界条件、载荷和材料特性，求解线性或非线性方程组，就可以得到分析对象的位移、应力、应变、能量等结果。

DYNA系列程序是1976年在美国Lawrence Livermore National Laboratory 由 Hallquist博 士主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，在武器结构设计、内弹道和终点弹道、军用材料研制等方面得到了广泛应用［4－6］。ANSYS公司于1997年与LSTC公司合作，购买了LS－DYNA的使用权，将LS－DYNA求解器整合到ANSYS软件中，称为 ANSYS LS－DYNA，使软件兼有 ANSYS的强大前后处理能力和DYNA的动态求解能力，成为碰撞、爆炸、冲击等非线性分析领域应用最广泛的软件之一。

3 堵孔爆破作用模拟

3．1 建模及求解控制

本文分三种情况进行模拟，分别为炮泥堵孔、炸药堵孔（也即全孔装药）和不堵孔（空气堵孔），如图1所示。三种模型炮孔上半部分0．5m分别设定为炮泥、炸药和空气。

图1 岩石及炮孔模型Fig．1 Rock and blasting hole model

模型尺寸为长1m，厚0．03m，高1．1m，炮孔直径45mm，孔深1m，装药0．5m，堵孔0．5m，孔底起爆。为简化计算，建立四分之一模型，背面、下侧面和左侧面设定为无反射边界，表示无限岩体，正面为沿x轴对称面，右侧面为沿y轴对称面，顶面为自由面。炸药单元和炮孔周边单元尺度为5mm，沿径向向外逐渐增大单元尺寸，总共140 964个单元。计算时长为2ms，计算结果为100步，每一步20μs。

3．2 材料参数

在LS－DYNA中，岩石材料经常使用弹塑性材料本构模型，如＊MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC随动硬化塑性材料，该模型适合于研究强度与应变率相关同时表现出塑性的材料，可以考虑失效。岩石材料物理力学参数如表1所示。为简化计算，炮泥选用和岩石同样的材料模型。

表1 岩石的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock

炸药采用高能燃烧模型，＊MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN，使用JWL方程配合使用。本文采用2#岩石炸药进行模拟，其参数和状态方程常数如表2和表3所示。

表2 炸药性能参数Table 2 Performance parameters of the explosive

表3 JWL状态方程常数Table 3 Constants of JWL equation

3．3 模拟结果对比分析

1）模型中部单元

在三个模型中部分别选取5个单元，与炮孔距离由近到远分别为0．022m、0．072m、0．122m、0．172m、0．222m，所有单元X坐标依次增大，Y坐标和Z坐标保持不变（因模型不同，同一点处单元编号不一样），如图2所示，图中为炮泥堵孔情况，另外两种情况与此一致，从略。

模型中部选取的单元的坐标如表4所示。

炮泥堵孔、炸药堵孔、不堵孔三种情况下，这5个单元的压力—时间曲线如图3所示（横轴表示压力波传播时间，纵轴表示压力值，下同）。

由图3可以看出，三种模型距离炮孔0．022m的孔壁单元上的压力分别为－0．2GPa、－0．19 GPa、－0．26GPa，这是由于炸药冲击波向孔壁透射造成的，这使孔壁周边的岩石粉碎，形成粉碎区，在此区域消耗了大量能量，随着距离增大，峰值压力急剧减小，甚至相差多个数量级。将中远区4个单元的压力—时间曲线选出、放大之后如图4所示。

图2 模型中部选取单元Fig．2 Elements selected in the middle

图3 三种模型中部单元压力—时间曲线Fig．3 Curves of pressure－time of elements in the middle of three models

图4 单元压力—时间曲线图Fig．4 Curve of pressure－time of elements

从图4中可以看出，随着距离从0．072m增大到0．222m，各单元的峰值压力数量级为MPa，近似呈指数逐渐变小，三种模型曲线图基本一致，说明在中部三种模型受力基本一致。

各条曲线峰值压力值如表5所示，为表达直观，引入相对距离的概念，即单元对炮孔轴线的距离与炮孔半径之比。

表5 单元峰值压力表Table 5 Maximum pressure of elements

从表5可以看出，随着相对距离增大，峰值压力变化趋缓，而从峰值出现的时间来看，压力波在这一区域内传播相同的距离所用时间基本相同，传播速度变化不大。

2）模型顶部单元

模型顶部为自由面，相对距离由小到大选取一部分单元，如图5所示，图5为炮泥堵孔模型，另外两个模型选点相同，单元编号不同。

顶部选取单元的坐标如表6所示。

顶部单元压力—时间曲线如图6所示。

结合图6和表7可以看出，模型顶部单元峰值压力相差很大，炮泥堵孔模型孔壁单元峰值压力为0．24MPa，炸药堵孔模型为0．28GPa，不堵孔模型为71．9kPa，远处单元峰值压力呈现相同规律。

相对距离由小到大的各条曲线峰值压力如表7所示。

图5 顶部选取单元Fig．5 Elements selected on the top

表6 三种模型顶部单元坐标Table 6 Coordinate of elements on the top of three models

表7 单元峰值压力Table 7 Maximum pressure of elements

分析表7可知，相同相对距离处的单元，其峰值压力大小关系为炸药堵孔模型＞炮泥堵孔模型＞不堵孔模型，这是由于炸药堵孔模型顶部单元的压力波为顶部炸药爆炸产生，而另外两个模型的压力波为下部炸药产生的压力波向顶部传播的结果；在不堵孔情况下，下部炸药爆生气体沿炮孔逸出，导致顶部压力下降。

图6 三个模型顶部单元压力—时间曲线Fig．6 Curves of pressure－time of elements on the top of three models

6 结论

三种模型代表了三种不同的装药方式，在三种模型相同位置分别选取单元进行分析，可得出如下

结论：

1）中部单元，即炸药与炮泥分界点处，三种模型压力—时间曲线基本一致，无论是压力波传播到每一点的时间还是峰值压力，差异都较小，说明在这三种装药方式下，中部岩石受力状态基本相同。

2）顶部的单元，即模型自由面处，全孔装药模型炮孔周边岩石被粉碎，在相对距离5．5、7．9、10．1处，其单元所受压力远远大于炮泥堵孔模型，而在22．5处，两种装药方式单元所受压力基本相同，说明随着相对距离的增大，全孔装药破碎岩石的优势越来越小；不堵孔模型在模型顶部单元的峰值压力与前面两种模型相比，相差近3个数量级，这说明空气堵孔时，炮孔内气体从孔中逸出，导致顶部压力不足。

3）对比三种装药方式，不堵孔有时不能达到爆破要求，只能在岩石内部形成爆腔，自由面处压力不足以破碎岩石，原因是爆生气体过早逸出，作用时间减少。相比全孔装药方式，采用炮泥堵孔能够充分发挥爆生气体的作用，又能够节省炸药，提高炸药的利用率。

［1］ 金龙哲，于 猛，刘结友，等 ．新型水炮泥爆破降尘的试验研究［J］．煤炭学报，2007，32（3）：253－257．

［2］ 白金泽 ．LS－DYNA3D理论基础与实例分析［M］．北京：科学出版社，2005．

［3］ 赵海鸥 ．LS－DYNA动力分析指南［M］．北京：兵器工业出版社，2003．

［4］ 李裕春，时党勇，赵 远 ．ANSYS10．0／LS－DYNA 理论基础与工程实践［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．

［5］ 崔新男，陈 何 ．束状孔与等效单孔爆破效果数值模拟对比研究［J］．有色金属（矿山部分），2013，65（1）：94－100．

［6］ 尚晓江，苏建宇 ．ANSYS LS－DYNA动力分析方法与工程实例［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．