大空孔复式筒形直眼掏槽力学机制与数值模拟分析

2018-10-09费鸿禄国志雨

中国安全生产科学技术 2018年9期

胡刚，费鸿禄，国志雨

(1.辽宁工程技术大学爆破技术研究院，辽宁阜新 123000；2.中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司，黑龙江哈尔滨 150078)

0 引言

掏槽爆破技术影响着岩巷工程的掘进速度和开挖质量[1]，直眼掏槽方式的发展不仅提高了爆破效率而且改善了破碎效果[2]，但是仍然难以解决硬岩巷道掏槽爆破循环进尺小、采掘比例失调[3-5]等问题。

针对上述问题，阳雨平等[6]提出了复式筒形直眼掏槽爆破方式并在萤石矿山进行深孔爆破试验；汪海波等[7]为解决立井坚硬岩石段的爆破效率研究了大空孔直眼掏槽爆破技术；LANGEFORS等[8]研究了空孔直眼掏槽的爆破理论，构建空孔外径对爆破作用效果的半理论半经验公式；李启月等[9]建立了直眼掏槽区域岩体的应力状态方程，并对不同地应力条件下的直眼掏槽方式进行了数值模拟；林大能等[10]建立了空腔形成的物理力学模型，得出了空腔尺寸的理论计算方法；郑祥滨等[11]对单螺旋空孔直眼掏槽成腔过程进行了数值模拟研究。国内外诸多学者的研究[12-16]丰富了掏槽技术，但对大空孔复式筒形直眼掏槽爆破技术却鲜有报道。

本文结合空孔效应和掏槽理论，分析大空孔复式筒形直眼掏槽腔体成形力学机制和有效应力传播规律，并在此基础上进行现场工况实践应用。

1 掏槽腔体成形力学机制

虽然炸药爆炸产生的爆炸应力波和爆生气体准静态膨胀联合作用是造成掏槽区域岩体破坏和抛掷的主要原因，但掏槽区域岩体从原岩分离及腔体形成主要与爆生气体的准静态膨胀作用有关[17]。因此，对复式筒形直眼掏槽腔体内岩体的准静态受力情况进行分析，并作如下假定：

①炮孔堵塞质量良好；

②炮孔炸药分布均匀；

③不考虑分段爆破形式。

其中，复式筒形直眼掏槽力学机制如图1所示。在图1中，A1A3，B1B3，C1C3，D1D3，E1E3，F1F3为炮孔；A2A3，B2B3，C2C3，D2D3，E2E3，F2F3为炮孔装药段；A1A2，B1B2，C1C2，D1D2，E1E2，F1F2为炮孔堵塞段；d为每对炮孔的水平距离，lz为装药段长度，ld为堵塞段长度，L0为掏槽深度，b为排拒。

图1 复式筒形直眼掏槽力学机制Fig.1 Mechanical mechanism of compound barrel parallel cut blasting

在图1(a)中，腔体顶面A1F1F3A3和底面C1D1D3C3仅受到剪切阻力的作用，根据Mohr-Coulomb理论，面A1F1F3A3和C1D1D3C3受到的剪切阻力可表示为：

QA1F1F3A3=QC1D1D3C3=(c+σ1tanφ)dL0

(1)

式中：c为粘聚力，N；φ为内摩擦角，°；σ1为面A1F1F3A3和C1D1D3C3上的正应力，Pa，一般σ1=γz，γ为容重，N/m3；z为距地表距离，m。

腔体左侧面A1C1C2A2和右侧面F1D1D2F2分别受到剪切阻力及爆生气体压力的联合作用，其中，所受到的剪切阻力可表示为：

QA1C1C2A2=QF1D1D2F2=(c+σ2tanφ)2bld

(2)

式中：σ2为面A1C1C2A2和F1D1D2F2上的正应力，Pa，一般σ2=σ1μ/(1-μ)；μ为泊松比。

所受到的爆生气体压力为：

(3)

式中：DCJ为爆速，m/s；ρ0为炸药初始密度，kg/m3；γ为绝热指数；r0为装药半径，m；rb为炮孔半径，m；λ为爆炸绝热膨胀常数。

腔体底面A3C3D3F3仅受拉力作用，所受到的拉力可表示为：

TA3C3D3F3=2bσtd

(4)

式中：σt为单轴极限抗拉强度，Pa。

当掏槽方式中存在大空孔[18]时，大空孔周围的应力分布发生改变，根据弹性力学理论，大空孔附近的峰值应力状态为：

(5)

(6)

大空孔底部装药，使面A3C3D3F3再次受到拉应力Tk，如图1(b)所示。

2 大空孔复式筒形直眼掏槽仿真分析

2.1 数值模型

采用LS-DYNA仿真软件，建立大空孔复式筒形直眼掏槽数值模型[19]，如图2所示，其中黑色为炮孔，白色为大空孔。

图2 炮孔布置Fig.2 Holes arrangement

模型尺寸2 m×2 m×4 m；炮孔直径为40 mm，长度3 m，装药段长度2.2 m，堵塞段长度0.8 m；依据文献[20]炮孔布置如图2所示，且根据岩石性质，确定大空孔直径为100 mm，长度3.2 m，装药段长度0.4 m(位于孔底)，堵塞段长度0.4 m(位于孔顶)；大空孔设置的目的是为掏槽爆破提供自由面，由于其底部装药，为满足《爆破安全规程》(GB6722-2014)中禁止装药孔不堵塞的要求，因此在大空孔顶部进行部分填塞。

为节省计算时间，建立1/4模型，Z=0面为自由面，X=0面和Y=0面施加对称约束，其余3面施加固定约束及无反射边界条件，如图3所示。

图3 数值模型Fig.3 numerical model

模型起爆方式为分段起爆，炮孔1～4一段起爆，炮孔5～8二段起爆，大空孔9三段起爆，每段间隔时间3 ms。

2.2 材料参数

数值模型建立了4种材料[21]，岩石材料采用JOHNSON-HOLMOUIST-CONCETE模型，材料参数具体见表1；炸药材料采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，并用JWL状态方程描述，方程参数具体见表2；空气采用NULL模型，并用LINEAR-POLYNOMIAL状态方程描述，模型参数具体见表3，表3中未列出方程参数均设置为0；炮泥材料采用SOIL-AND-FORM模型；具体参数见表4。