预裂孔间距的试验研究及数值模拟

杨林兵，李玉能,2，张少秋，朱杰超,2，蒲恒强,2

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002； 2.贵州贵安新联爆破工程有限公司，贵州 贵阳 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

预裂孔间距的试验研究及数值模拟

杨林兵1，李玉能1,2，张少秋3，朱杰超1,2，蒲恒强1,2

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002； 2.贵州贵安新联爆破工程有限公司，贵州 贵阳 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

通过模型试验与有限元程序ABAQUS/Explicit建立混凝土材料模型对不同预裂孔间距条件下的预裂缝形成过程进行了模拟，两种研究方法得到的结果一致表明：孔间距在炮孔直径的11～13倍之间时，预裂爆破成缝效果最佳，为类似实际工程设计提供了理论依据。

预裂爆破；孔间距；模型试验；ABAQUS/Explicit；成缝效果

随着爆破技术要求的不断提高，预裂爆破得到快速发展，在生产实践中应用也较为成熟[1-13]。但实际生产中预裂爆破的参数设计一般依赖于工程类比、经验公式以及现场试验等方法[8-9]，缺乏正确的理论指导。目前，该类问题已经引起广大学者的重视。其中，李彬峰[10]和陈庆凯[11]等对预裂缝的形成机理和预裂爆破参数的设计方法进行了研究和探讨。张修玉、陈财伟、王乐、谢冰、王建国[1，4，17，12-13]等通过数值分析研究了孔间距、聚能效应、节理几何特征等对预裂爆破效果的影响，为预裂爆破理论研究和参数的合理确定提供了一条有效途径。本文在现有学者研究的基础上，利用模型试验和有限元软件ABAQUS对不同预裂孔间距条件下的预裂爆破进行研究，试图得出最佳的预裂爆破参数。

1 模型试验

为了考察预裂孔间距对预裂爆破成缝效果的影响，在模型试验中将预裂孔间距设置为单一变量进行分组讨论，根据文献[14]，在预裂爆破施工中，当预裂孔间距是预裂孔直径的9～15倍时，爆破效果最好[1]。因此，模型试验将考察预裂孔间距为预裂孔直径的9，11，13，15倍4种情况下的成缝效果，找出最佳预裂孔间距。

1.1 试验方案

模型试块长宽高尺寸为600 mm×600 mm×120 mm，模型炮孔直径为10 mm，炮孔布置及模型试块如图1所示。本组试验通过改变预裂孔间距共设置4块模型，单孔使用单发8#雷管进行试验，外径为6.5 mm，不耦合系数为1.54。模型试验参数见表1。

图1 模型尺寸

表1 模型试验参数

1.2 试验分析

4块试验模型起爆结束后，前3块模型都沿炮孔连线方向形成了贯穿裂隙，第4块模型由于炮孔间距较大，并未形成贯穿裂隙，试验结果见图2。

由图2(a)可以看出，模型1中由爆破产生的裂隙贯穿至模型的两边，两炮孔间的裂隙贯穿效果较好，并且在炮孔连心线与裂隙面相交的位置相遇，左侧裂隙垂直贯穿至模型边缘，而右侧裂隙在贯穿至模型边缘时发生了偏离，偏离角度在边缘位置处达到约45°。表面裂隙不是很明显，从侧面观察发现试块板的中部裂隙较为明显，中间炮孔部位有严重损坏的迹象。图2(b)为模型2的爆破效果，模型直接沿炮孔连心线方向分离为两块，裂隙形态十分明显，裂隙在贯穿至模型边缘时偏离角度比较少，左侧裂隙在边缘处偏离角度小于10°，右侧裂隙在三分之二位置处虽有偏离，但在模型边缘仍垂直贯穿，炮孔间裂隙的贯穿也比较明显。图2(c)为模型3的爆破效果，裂隙已贯穿至模型的两侧，但两侧裂隙均有偏离，左侧偏离角度较小，在10°以内，右侧裂隙偏离角度较大，达到19°之多。两炮孔间的裂隙贯穿效果较差，右侧裂隙并未垂直到达裂隙面。图2(d)为模型4的爆破效果，爆破产生的裂隙已贯穿至模型两侧的边缘，但是表面裂隙不明显，在边缘处都发生了偏离，左侧裂隙偏离角度在15°左右，右侧裂隙偏离角度在30°左右。两炮孔间的裂隙虽贯穿至原有裂隙面，但并未在炮孔连线上相遇，存在少许偏离。

图2爆破效果

从4块试验模型的爆破效果来看，爆炸产生后，将在炮孔周围产生压碎区；由于爆生气体的气楔作用，将使裂隙沿着最小抵抗线方向扩展；同时由于介质内部的缺陷以及材料分布的不均匀，裂隙在扩展过程中将会发生偏离。综上所述：若要使两炮孔间形成良好的贯穿裂隙，预裂孔间距不宜过大也不宜过小，孔间距较小炮孔周围会过度破碎，能量损失较大，不宜裂隙贯穿，孔间距较大不宜裂隙的产生，并且裂隙会偏离连心线方向。因此，最佳的预裂孔间距为炮孔直径的11～13倍。

2 数值模拟

2.1 模型参数

计算模型按照试验模型的尺寸来创建，模型大小长高宽为0.6 m×0.6 m×0.12 m，模型中设置3个炮孔，炮孔直径为1 cm，间距分为9，11，13，15 cm 4组，采用C3D8R单元类型进行网格划分，网格尺寸为0.01 m，单元数41240个，网格划分见图3。模型约束为底侧采用垂直约束，荷载为冲击波荷载，药量设置每孔TNT当量为0.9 g，主要分析相邻炮孔之间起爆后能否形成光面以及围岩的应力变化。开裂模型选用脆性开裂模型Brittle Cracking，材料密度为2320 kg/m3，弹性模量为25 GPa，泊松比为0.3。

图3 模型网格划分

2.2 计算结果分析

模拟过程是3炮孔同时加载，模拟总时间为1 ms，应力结果见图4～图7。

从图4～图7可以看出，裂隙首先从炮孔向外扩展，由于相邻炮孔间应力波的叠加作用，使裂隙优先在两炮孔间贯穿，这与试验中的爆破效果一致。对比几组不同间距的模拟效果图，发现在炮孔直径相同的情况下，炮孔间距越小，成缝越容易。但是孔距较小时，炮孔破坏较为严重；孔距较大时，成缝效果不理想，因为炮孔间裂隙贯穿较慢，致使孔腔内的爆生气体无法流出，对炮孔附近产生较大的压力，造成了一定的破坏；本次模拟中发现：炮孔间距为炮孔直径的11～13倍左右最为合适。

图4 孔距9 cm t=1 ms时的应力云图

图5 孔距11 cm时的应力云图

图6 孔距13 cm时的应力云图

图7 孔距15 cm t=1 ms时的应力云图

3 工程应用

贵州某城市地铁建设明挖路段需要运用预裂爆破隔离主爆区与边坡，以防止主爆区爆破损坏边坡。爆区岩石级别为Ⅱ类，坚固性系数f=10～12，密度为2.46 kg/m3，弹性模量为30.56 GPa，泊松比为0.25。现场采用液压潜孔钻机，钻孔直径为90 mm，炮孔角度与边坡一致，预裂孔间距1.1 m(炮孔直径的12.2倍)，其他相关参数按照《爆破手册》[14]设计施工。爆破成缝效果较好，开挖后边坡未受损坏(见图8)。

图8 现场施工效果

4 结 论

通过模型试验和数值模拟研究了不同预裂孔间距条件下的成缝效果，并结合实际工程应用，得到以下结论：

(1) 预裂爆破预裂孔间距不宜太小也不宜太大，无论是模型试验还是数值模拟研究结果都表明：预裂孔间距为预裂孔直径的11～13倍时，预裂缝成缝效果最佳。

(2) 实际工程应用证明ABAUQS中Brittle Cracking脆性开裂模型能够较好的模拟预裂爆破孔之间的成缝情况，可为类似项目设计提供良好的理论依据。

(3) 本文只针对预裂孔间距的大小对预裂爆破成缝效果影响进行研究，并没有考虑不耦合系数、装药密度等参数对预裂爆破成缝效果的影响。

[1]张修玉,杨德强,金桑桑.某边坡不同孔间距预裂爆破数值模拟试验研究[J].采矿技术,2017,17(04):86-88.

[2]王建国,刘文治,李鹏飞,等.预裂爆破在尖山磷矿高边帮开采中的应用[J].有色金属(矿山部分),2017,69(01):50-53.

[3]陈 明,张 俊,郑炳旭,等.基于现场混装的宽孔距空气间隔预裂爆破技术[J].爆破,2016,33(03):1-4，30.

[4]陈财伟.某地下矿山预裂爆破参数设计及数值模拟[J].采矿技术,2016,16(01):86-88.

[5]谢秋生.预裂爆破在露天采石场中的应用[J].中国矿山工程,2015,44(05):47-48，52.

[6]王和平,郭连军,张大宁,等.大孤山铁矿预裂爆破研究与应用[J].金属矿山,2015(10):18-23.

[7]王 乐,郭连军,张大宁,等.双向线形聚能预裂爆破技术及其降震效果研究[J].矿业研究与开发,2015,35(07):27-30.

[8] Dyskin A V, Galybin A N. Fracture mechanism of pre-split blasting[C].7th International Symposium on Structural Failure and Plasticity. Melbourne, Australia, 2000:235-240.

[9] 吴晓峰，宋照尚，李廷春.预裂爆破中爆生裂缝扩展的机理探讨及预裂炮孔间距的设计方法[J].中国港湾建设，2007(1):49-50.

[10] 李彬峰，祁晨冰.预裂爆破成缝机理与参数设计[J]．西部探矿工程，2000(3)：78-79．

[11] 陈庆凯，朱万成.预裂爆破成缝机理及预裂孔间距的设计方法[J]．东北大学学报：自然科学版，2011(7)：1024-1027．

[12] 谢 冰，李海波，王长柏，等．节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟[J]．岩土力学，2011(12)：3812-3820．

[13] 王建国，高全臣，吴 浩，等．预裂爆破成缝机理的数值模拟研究[J]．有色金属，2014(2)：80-84．

[14] 汪旭光．爆破手册[M]．北京：冶金工业出版社，2010．

2017-06-23)

杨林兵(1988-)，男，助理工程师，从事爆破技术研究工作，Email：602574716@qq.com。