双大空孔对直眼掏槽爆破效果的影响数值模拟研究

2022-09-22刘志伟

科技创新导报 2022年17期

刘志伟

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院北京 100083）

目前，钻爆法由于其快捷性、经济性已成为在岩石巷道和隧道内掘进的主要方式。由于煤矿巷道掘进过程中只能采用威力较小的矿用炸药，因此，岩巷掘进速度缓慢一直是巷道掘进的一个重大问题。在岩巷掘进中使用钻爆法时，掏槽爆破的效果又是影响爆破能否成功的关键。在岩巷掘进中，由于只有一个自由面，岩石在爆破时被夹制，特别是当岩石的强度非常大时，岩巷掘进的速度将由掏槽爆破决定，掏槽爆破中槽腔形成得越好，往往越能极大地提升岩巷掘进的速度。因此，在掏槽爆破过程中，通常多钻出几个空孔为直眼掏槽爆破提供更多的自由面，为其他炮孔爆破创造更加有利的条件。根据周少颖等的研究发现，空孔的存在具有以下特征：空孔具有应力集中导向作用；空孔为岩石的爆破增加了多个自由面和补偿空间；空孔的存在会使孔壁处的岩石受到剪切而发生破碎。

对于在岩巷掘进掏槽爆破过程中的岩石和炸药作用机理及炮孔和空孔布置方案的优化，长期以来，国内外学者都做了大量的试验和数值模拟研究。林大能等［1］通过建立物理力学模型的方法，成功推导出了槽腔参数及腔内碎块的抛出率计算公式；郭东明等［2-3］对爆破成腔过程和岩石破碎机理进行了研究，并根据含空孔的现场掏槽爆破试验，对掏槽爆破的参数和炮孔空孔的布置方法作出了优化；范军平等［4］对不同空孔直接的掏槽爆破方案进行了实验和数值模拟，得出大直径空孔无论从掏槽爆破效果还是爆破振动的危害来看都要明显好于小直径空孔；郝英剑［5］对大直径空孔孔壁岩体的受力进行分析，得出大直径空孔对直眼掏槽爆破效果有积极的影响；汪宣灯等［6］通过LS-DYNA建立了大直径空孔的掏槽爆破模型，得出含大直径空孔的直眼掏槽爆破不仅可以减少炸药量，还能极大地提高爆破效率；朱必勇［7］认为大空孔的直径在200mm时经济效益最好；罗剑辉［8］分析出在中空孔的孔壁附近爆炸应力波发生了反射并产生应力集中现象。

1 直眼掏槽爆破几何模型与材料模型

1.1 几何模型

运用ANSYS/LS-DYNA，建立含双大空孔和无空孔的两组直眼掏槽数值模型，由于计算机性能有限，为了缩短计算时间，将模型进行简化，简化后的模型为原模型的1/4。原数值计算模型的几何示意图如图1所示，单位为mm。

图1 双大空孔模型几何示意图

双大空孔模型依据某煤矿岩巷掘进过程中的掏槽参数，模型的中间设置2 个大空孔，空孔孔深为1700mm，直径为200mm。其四周按菱形布置7个掏槽孔，掏槽孔孔深为1700mm，直径为40mm，采用耦合装药结构，反向爆破，炮孔内装填直径为40mm 药卷，装药长度为1100mm，炮泥填塞长度为600mm。无空孔模型中去掉2 个大空孔，其他炮孔参数和装药的结构参数等均与含大空孔模型中的参数相同。考虑到计算机计算能力的有限性，取模型的1/4 进行数值建模，根据模型的对称性，施加对称边界法向约束，对其他除自由面边界施加无反射边界条件，使模拟出无限大的空间与实际相似。

1.2 材料模型及参数

几何模型共涉及3 种材料，即炸药、岩石与空气。炸药为2#岩石乳化炸药，在此选用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型，同时，使用经典JWL 状态方程来描述爆炸过程中产物的体积、压力及能量特性，式（1）表示JWL状态方程决定的爆轰压力：

式中：Peos为JWL 状态方程决定的爆轰压力（Pa）；A、B为材料常数（Pa）；R1、R2、ω为炸药材料常数，无量纲；E0为初始内能；V为相对体积，无量纲。炸药材料及JWL状态方程参数见表1。

表1 炸药及状态方程参数

岩石材料选择具有弹塑性性质的动力学模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC 进行模拟。在爆炸冲击波的作用下，岩石在极短的时间内发生了破坏。岩石的力学参数如表2所示。

表2 岩石的力学参数

空气选用*MAT_NULL 空白材料模型，通过LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程刻画各参数之间的关系。其中，密度为1.29kg/m3。

建立几何模型后，划分的岩石与炸药单元网格如图2所示。

图2 岩石与炸药单元网格图

2 数值模拟结果分析

2.1 爆炸应力波传播过程分析

为了清晰地观察应力波传播特征，截取不同时刻的应力分布图，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示，炸药自孔底起爆后，爆炸冲击波沿着炮孔底到孔口的方向传播，波面锋利陡峭，呈近似三角形分布，有效应力峰值出现在炸药爆炸后的炮孔周围的岩石，且沿着炮孔周围岩石从炮孔底向孔口方向移动，此时，炸药周围的岩体在爆炸冲击波的作用下被破坏。在图3（d）中，t=200μs，可以观察到炸药爆炸已经完成，由于瞬间的爆轰压力，在炮孔的炸药段四周形成一段3～4 倍炮孔的圆柱体空腔。从图3（e）、图3（f）可以观察到，在炸药完全爆炸后，爆炸冲击波快速衰减，波面开始变得平缓，此时，冲击波已经全部衰减为应力波，更多的岩石单元受到影响。同时，随着应力波的传播，有效应力峰值出现在大空孔的孔壁岩石上，并且沿着孔壁从孔底向孔口方向移动。

图3 大空孔模型不同时段应力波传播过程

通过对比无空孔模型在相同时刻的应力分布，发现在图4（a）、图4（b）中，原空孔位置并未出现有效应力峰值区域，说明应力波传播至空孔孔壁时发生了发射拉伸，并与其后的应力波发生叠加，所以在空孔周围出现了应力集中现象，这对空孔底部与孔壁周围岩石的破碎起到了关键作用。

图4 无空孔模型不同时段应力波传播过程

为了能更加清晰地观察到空孔孔壁处岩石单元的应力分布情况，在双大空孔模型的空孔底部和孔壁处布置多个测点，测点位置如图5所示（单位：mm），通过后处理软件LS-PrePost，输出这些单元测点的等效应力时程曲线，统计出各个测点的等效应力峰值，然后计算出不同深度的平均等效应力峰值。而无空孔模型中的岩石单元测点取原空孔中心的位置，每隔0.1m取一个测点，用同样方法得到无空孔模型中不同深度的等效应力峰值。将两组数据进行对比分析。

图5 空孔孔底和孔壁测点布置图

经过统计，如图6所示，在炸药段，即距离孔底1.4m内，大空孔模型空孔孔底和孔壁测点的有效应力峰值远大于无空孔模型测点的有效应力峰值，且在距孔底0.8m处，该深度的孔壁测点的平均有效应力峰值达到了67.8MPa，而无空孔模型原空孔中心测点的最大等效应力只有36.2MPa。该数据充分说明了在空孔底部与孔壁附近产生了明显的应力集中效应，在有空孔的情况下，空孔底部与孔壁的岩石更容易在爆炸的冲击波下发生破坏，所以，大空孔的掏槽效果明显好于无空孔掏槽爆破。

图6 不同深度测点平均有效应力峰值

2.2 槽腔内岩体破坏情况

由于掏槽爆破时炸药爆炸的过程过于复杂，因此，利用后处理软件LS-PrePost 的截面功能SPlane，截取掉空孔底部以后的部分，这样能从正面直接观测到应力波在炮孔和空孔底部的传播过程。

选取两组模型在t=150μs、t=300μs、t=450μs 这3个时刻的等效应力截图进行对比，如图7和图8所示。在t=150μs 时，可以观察到大空孔模型中空孔附近应力已经发生反射叠加，而无空孔模型中并没有出现应力集中；在t=300μs 时，大空孔周围的应力仍然在持续，而无空孔模型的原空孔位置出现了较小的应力区域；在t=450μs时，无空孔模型的原空孔位置的底应力区持续存在，而大空孔模型中的低应力区则是在槽腔四周。从应力分布情况来看，大空孔附近的有效应力远大于无空孔模型中原空孔位置的有效应力，这十分有利于岩石的破碎以及槽腔的形成。