不耦合装药结构爆炸孔壁压力分布特性的数值模拟①

刘玉丰，方 芳，李海谦，李启月

（1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.湖南和天工程项目管理有限公司，湖南 长沙 410221）

装药结构是影响光面爆破效果的关键因素之一。为改善光面爆破效果，周边孔常采用不耦合装药结构［1］。针对设计为同心不耦合装药结构而实际为偏心不耦合装药结构［2］，不少学者通过破坏特征对偏心不耦合装药结构下爆破作用进行定性分析［1-3］。偏心与同心不耦合装药结构对围岩的损伤破坏作用不同，最终影响光面爆破效果。目前，国内外学者采用多种研究手段分析了同心与偏心不耦合装药结构中装药段孔壁压力分布特征［4-10］，但较少采用定量的研究方法，对炮孔孔壁压力的径向分布特征研究也不多。本文采用ANSYS／LS-DYNA数值模拟对偏心与同心不耦合装药结构中非装药段孔壁压力开展研究，定量分析不同装药结构对孔壁压力轴向、径向分布特征的影响。

1 建立数值模型

建立同心与偏心不耦合装药模型各一个，轴对称钢管模型长度均取L＝1 150 mm，如图1所示，测距l分别取0.05 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，孔壁测点位于该处上、下两侧，也即β＝180°和0°对应的孔壁质点处，β为垂直于轴向截面上半径与方向向下的竖直线夹角。

为保证仿真计算孔壁压力结果的真实性，钢管材料、炸药材料和空气介质材料分别采用*MAT_JOHNSON_COOK、*MAT_HIGH_EXPLOSI-VE_BURN和*MAT_NULL模型描述，其状态方程分别用*EOS_GRUNEISEN、*EOS_JWL和*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL描述，其相关材料及状态方程参数如表1～3所示。建模过程中对无缝钢管模型的网格进行细化。建立模型时，无缝钢管和空气介质以及2号岩石乳化炸药模型均采用1／4建模，在模型对称边界上施加对称约束。模型计算过程中，炸药和空气介质材料采用ALE算法，钢管材料采用Lagrange算法。

表1 炸药参数及状态方程参数

表2 空气参数及状态方程参数

表3 钢管材料及状态方程参数

2 不耦合装药轴向分布特征

通过仿真计算得出偏心与同心不耦合装药时不同测距l以及截面角度β对应测点的孔壁压力峰值分布如表4所示。l＝0.05 m、1.0 m处测点的典型压力时程曲线如图2所示。由表4和图2可知，轴向上各测点压力值随时间分布差异较为明显。测点离爆心较近时，偏心装药耦合侧率先承受冲击波压力且达到峰值时刻较不耦合侧快；测点离爆心较远时，各装药条件下耦合侧与不耦合侧压力值在同一时刻几乎重合。

图2 不同装药结构轴向非装药段孔壁压力-时间曲线

表4 不同装药结构轴向非装药段孔壁压力峰值模拟结果

图3为数值模拟得到的不同装药结构轴向非装药段不同测距的孔壁压力峰值曲线。偏心不耦合装药结构中，当l≤0.5 m时，等测距截面β＝0°对应测点孔壁压力峰值较β＝180°对应孔壁压力峰值小，且冲击波载荷作用于孔壁的持续时间较β＝180°对应孔壁的载荷作用时间大；当l＞0.5 m时，等测距截面β＝0°对应孔壁压力峰值近似等于β＝180°对应孔壁压力峰值，且空气冲击波作用时间亦近似相等。同心不耦合装药结构中，相同测距截面β＝0°与β＝180°对应测点孔壁压力峰值相等，且冲击波载荷作用于孔壁的持续时间相等。

图3 不同装药结构孔壁压力峰值分布曲线

当0＜l≤0.3 m时，偏心不耦合装药结构中，炮孔轴向非装药段等同测距截面孔壁上β＝180°对应测点孔壁压力峰值较同心不耦合装药结构大；当l＞0.3 m时，同心不耦合装药结构中相同测距截面孔壁压力峰值较偏心不耦合装药结构大。偏心不耦合装药结构中，在装药耦合侧围岩的约束以及装药不耦合侧空气介质的导向作用下，爆炸冲击波沿炮孔轴向传播过程中径向膨胀呈现出“逆偏心效应”，导致装药不耦合侧孔壁压力峰值增大。

不同装药结构下轴向非装药段孔壁压力峰值拟合曲线如图4所示，图中拟合方程为：

图4 不同装药结构孔壁压力峰值拟合曲线

同心不耦合装药：

偏心不耦合装药：

偏心不耦合装药结构中，β＝180°延长线上孔壁压力峰值拟合曲线衰减快。在装药耦合侧孔壁约束作用及不耦合侧空气介质的导向作用下，近区孔壁压力峰值增大，因此，偏心不耦合装药中β＝0°延长线上孔壁压力峰值衰减规律拟合曲线相关性系数较小。

3 偏心装药结构径向分布特征

不同β值下的轴向孔壁压力峰值如图5所示。文献［11］指出，在偏心不耦合装药结构中，轴向非装药段孔壁压力峰值随β增大而减小，但本文数值仿真计算结果出现“逆偏心效应”。当l≤0.5 m时，任一截面β＝180°对应测点孔壁压力峰值较β＝0°对应测点的孔壁压力峰值大。

图5 偏心不耦合装药结构轴向孔壁压力峰值随β分布特征

偏心不耦合装药结构中，当l≤0.5 m时，任一截面孔壁压力峰值随着β增大而增大。其中，当β≤15°时，炮孔轴向l≤0.3 m对应孔壁压力峰值最小；当15°＜β＜90°时，炮孔轴向l≤0.2 m对应孔壁压力峰值较小；当90°≤β＜120°时，炮孔轴向l≤0.1 m对应孔壁压力峰值偏小。说明沿炮孔轴向传播的爆炸冲击波在装药不耦合侧空气介质的导向作用下集中膨胀作用于装药不耦合侧孔壁。

4 结 论

采用数值模拟方法，对偏心与同心不耦合装药爆破孔壁压力峰值分布特征进行了对比研究，得到如下结论：

1）偏心不耦合装药结构中，测距l≤0.5 m时，炮孔轴向β＝180°对应测点孔壁压力峰值较β＝0°对应测点孔壁压力峰值大，且l＜0.3 m时，炮孔轴向β＝180°对应测点孔壁压力峰值亦较同心不耦合装药结构中对应测点孔壁压力峰值大；测距l＞0.5 m时，炮孔轴向任一截面任意孔壁测点压力峰值近似乃至相等。同心不耦合装药结构中，相同截面上孔壁压力峰值均相等。

2）偏心不耦合装药结构中，炮孔轴向沿β＝180°延长线对应测点孔壁压力峰值随测距衰减快；沿β＝0°延长线对应测点孔壁压力峰值随测距衰减次之；同心不耦合装药条件下衰减慢。

3）偏心不耦合装药结构中，在装药耦合侧孔壁的约束以及装药不耦合侧空气介质的导向作用下，沿炮孔轴向传播的爆炸冲击波传播方向偏心效应，导致装药不耦合侧孔壁压力偏大。同心不耦合装药结构中，在爆炸近区，沿炮孔轴向传播的爆炸冲击波传播速度极快，周围空气介质对爆炸冲击波传播导向作用小，导致孔壁压力峰值偏小。