束狀孔替換球形藥包爆破技術(shù)

束狀孔替換球形藥包爆破技術(shù)

束狀孔內(nèi)的定量球形藥包爆炸技術(shù)是北京礦業(yè)大學(xué)專注于研究地下礦的深孔爆炸的新技術(shù)?；靖拍钍牵河蓭讉€(gè)距離為3.8倍的密集平行孔組成，這些孔中有4個(gè)距離為3.8倍。這種爆破技術(shù)在爆破近區(qū)過(guò)粉碎程度低,中遠(yuǎn)區(qū)裂隙條數(shù)和擴(kuò)展長(zhǎng)度都比等效單孔好,因此爆破能量利用率更高,在我國(guó)多個(gè)礦山得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比束狀孔和其等效單孔爆破效果,證實(shí)束狀孔爆破的上述優(yōu)點(diǎn)。1帶束孔的無(wú)限巖體爆炸值的模擬1.1藥代動(dòng)力學(xué)模型研究炸藥在無(wú)限巖體中爆炸,主要是消除邊界效應(yīng),在所建立的模型各個(gè)方向表面都施加無(wú)反射邊界,橫波和縱波的透過(guò)性都為有效。模型模擬孔徑42mm,孔間距210mm,4孔為一束,耦合裝藥,炸藥與巖石無(wú)間隔,炸藥和巖石采用共節(jié)點(diǎn)法計(jì)算,柱狀裝藥并且炸藥尺寸相對(duì)模型尺寸較小,所以可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題,在炮孔厚度方向上采用單層網(wǎng)格,作為“準(zhǔn)二維”近似,為此要為模型施加厚度方向上的位移約束。模型長(zhǎng)度和寬度方向上尺寸為3m×3m,厚度方向上尺寸為0.005m,模型四周施加無(wú)反射邊界。1.2材料參數(shù)的確定巖石參數(shù)采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC隨動(dòng)硬化塑性材料參數(shù),如表1所示。炸藥使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料參數(shù),添加JWL狀態(tài)方程配合使用,其性能參數(shù)及JWL方程常數(shù)如表2、表3所示。JWL狀態(tài)方程用來(lái)確定炸藥壓力PS,形式如下:PS=A(1?ωR1V)eR1V+B(1?ωR2V)eR2V+ωESV×12(1)ΡS=A(1-ωR1V)eR1V+B(1-ωR2V)eR2V+ωESV×12(1)式中:A、B、R1、R2、ω為炸藥本身常數(shù),見(jiàn)表3;V—爆炸氣體相對(duì)比容;ES—爆炸能量密度,J/kg。1.3爆破近區(qū)內(nèi)具有地震響應(yīng)分析和破壞機(jī)制每10μs輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果,共計(jì)算500步,即模擬從炸藥起爆到5ms內(nèi)模型結(jié)構(gòu)變化,部分計(jì)算結(jié)果如圖1所示。在不考慮巖石內(nèi)原始應(yīng)力的情況下,束狀孔裝藥在無(wú)限巖體中起爆,經(jīng)過(guò)極短時(shí)間(小于9.6μs),炸藥爆轟激起沖擊波,壓力高達(dá)3.1GPa,如圖1a所示;同時(shí),沖擊波向炮孔內(nèi)壁透射,巖石內(nèi)產(chǎn)生透射波,峰值壓力0.36GPa,在49.6μs時(shí),每個(gè)炮孔都形成相同的柱狀波并自炮孔中心向四周發(fā)散傳播,如圖1b所示;在138μs時(shí),4條沖擊波相遇,在炮孔連線上形成應(yīng)力集中并產(chǎn)生裂隙,形成粉碎區(qū),此區(qū)域內(nèi)壓力顯著衰減,峰值0.137GPa,如圖1c所示;在189μs時(shí),粉碎區(qū)相互貫通,形成一個(gè)大的粉碎區(qū),半徑約0.16m,沖擊波也相互疊加呈花瓣?duì)罾^續(xù)向外擴(kuò)散,峰值壓力90MPa,如圖1d所示;在339μs時(shí),在X軸Y軸方向存在應(yīng)力集中,形成沿X、Y方向發(fā)展的密集裂隙甚至是斷裂帶,粉碎區(qū)外圍巖體被分割成塊,破碎程度降低,這便是粉碎區(qū)邊界,疊加后的波形類似于圓柱波,峰值壓力已經(jīng)衰減到41MPa,如圖1e所示;在689μs時(shí),自粉碎區(qū)向外圍發(fā)展數(shù)條密集的裂隙,波形也更接近于圓柱波,峰值壓力27.8MPa,如圖1f所示;在969μs時(shí),裂隙已經(jīng)基本停止擴(kuò)展,裂隙區(qū)基本形成,裂隙區(qū)半徑約0.53m,峰值壓力衰減速度放緩,為22.4MPa,如圖1g所示;在1939μs,X、Y軸方向的裂隙基本停止擴(kuò)展,應(yīng)力波開(kāi)始向外透射,由于沒(méi)有自由面,此時(shí)應(yīng)力波的作用已經(jīng)基本結(jié)束,應(yīng)力波將繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳播形成地震波。應(yīng)力波的作用時(shí)間約為炸藥引爆后的2ms內(nèi)。下面研究爆炸近區(qū)內(nèi)沖擊波的情況,圖2為1/4模型爆破近區(qū)圖,選取了2170#、779#和1847#單元,這三個(gè)單元的壓力—時(shí)間曲線如圖3所示。ANSYSLS-DYNA有限元模擬軟件是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計(jì)算方法,當(dāng)單元失效后該單元的所有物理和力學(xué)參量都被賦零值,不再參與計(jì)算,圖3中三條曲線只有波峰沒(méi)有波谷和隨后的震蕩曲線就是由于近區(qū)內(nèi)單元基本都已經(jīng)被刪除。三條曲線波峰頂點(diǎn)的坐標(biāo)如表4所示。通過(guò)表4可知,爆破近區(qū)內(nèi)沖擊波峰值壓力大,高達(dá)0.61GPa,衰減速度也很快,在2.8倍孔徑時(shí)衰減到0.25GPa,而在4.6倍孔徑時(shí)只有0.11GPa。選取爆破中遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)1906#、28517#、38357#、50011#、60370#、72542#和83941#共7個(gè)單元,這些單元在模型中的位置以及其壓力—時(shí)間曲線如圖4、圖5所示。7條曲線的峰值壓力如表5所示。由表5和圖5可以看出,相對(duì)爆心距(某點(diǎn)距束孔中心距離與等效單孔半徑之比)從6.8倍孔徑到10.5倍,壓力峰值衰減劇烈,從83.8MPa降低到36.4MPa;從10.5倍開(kāi)始,壓力峰值衰減速度放緩,從36.4MPa降低到46.2倍的9.67MPa。2等單孔藥物在無(wú)限巖體中的爆炸值模擬2.1等效單孔模型的計(jì)算按照式D=N??√dD=Νd(其中N為束狀孔的單孔個(gè)數(shù),d為束狀孔單孔直徑)計(jì)算,等效單孔的孔徑為84mm,進(jìn)行同樣的處理,厚度方向上簡(jiǎn)化為1層單元,模型整體尺寸為3m×3m×0.005m,上下表面施加位移約束,四周邊界施加無(wú)反射邊界條件,橫波和縱波的透過(guò)性都為有效。2.2材料參數(shù)巖石及炸藥材料參數(shù)、求解參數(shù)都與上一節(jié)相同。2.3爆破過(guò)程中單元壓力—計(jì)算結(jié)果及分析在不考慮巖體原始應(yīng)力情況下,單孔裝藥在無(wú)限巖體中起爆,經(jīng)過(guò)9.9μs,孔內(nèi)壓力上升到約8GPa,如圖6a所示;在19.5μs,沖擊波已經(jīng)透射到巖體中,激起巖體內(nèi)沖擊波并以柱面波的形式向外擴(kuò)散,峰值壓力0.51GPa,如圖6b所示;在39μs時(shí),孔壁已經(jīng)出現(xiàn)粉碎區(qū),峰值壓力0.45GPa,如圖6c所示;在390μs時(shí),粉碎區(qū)已經(jīng)形成,半徑約0.11m,外圍出現(xiàn)密集的裂隙,巖體被分割成多塊,峰值壓力衰減到36MPa,如圖6d所示;在989μs,裂隙區(qū)形成,其中密集裂隙區(qū)半徑約0.4m,稀疏裂隙的損傷區(qū)半徑約0.71m,峰值壓力17.5MPa,如圖6e所示;在2089μs,沖擊波已經(jīng)透射出去,應(yīng)力波的作用時(shí)間結(jié)束,結(jié)束時(shí)間在炸藥起爆后2ms左右。下面研究爆破近區(qū)內(nèi)情況,選取1969#、1079#、610#和264#單元,這4個(gè)單元在模型中的位置以及其壓力—時(shí)間歷程曲線如圖7、圖8所示。上述4個(gè)單元壓力—時(shí)間歷程曲線的各頂點(diǎn)坐標(biāo)如表6所示。從表6可以看出,透射到孔壁的沖擊波峰值壓力高達(dá)0.51GPa,而到1.7倍R時(shí)已經(jīng)衰減到0.33GPa,到達(dá)粉碎區(qū)邊界(3.1R)的時(shí)候則只有0.14GPa。再選取1389#、29098#、39451#、51619#、63271#、73889#和83736#單元,這7個(gè)單元在模型中位置以及其壓力時(shí)程曲線如圖9、圖10所示。上述7個(gè)單元壓力時(shí)程曲線頂點(diǎn)參數(shù)如表7所示。從圖10和表7可以看出,從中區(qū)6.0倍R到46.0倍R,單元壓力峰值近似按照指數(shù)規(guī)律衰減,從41.2MPa降低到9.48MPa,總體衰減速度不大,但是從中區(qū)開(kāi)始初始?jí)毫Ψ逯稻秃苄?只有41.2MPa。3等效單孔孔壁單元的特征本文使用有限元分析軟件ANSYSLS-DYNA對(duì)束狀孔及其等效單孔在無(wú)限巖體中爆炸作用進(jìn)行了模擬,主要結(jié)論如下。1)由圖1和圖6可以看出,在裝藥量相同的情況下,束狀孔爆破粉碎區(qū)小,裂隙區(qū)和損傷區(qū)較大,而等效單孔粉碎區(qū)較大,裂隙區(qū)和損傷區(qū)都比束狀孔小。2)在爆破近區(qū),等效單孔孔壁單元峰值壓力比束狀孔大,這對(duì)于破碎巖石毫無(wú)益處,因?yàn)閴毫h(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石的抗壓強(qiáng)度,只會(huì)增加巖石過(guò)粉碎,消耗大部分爆炸能量。3)在相同的相對(duì)距離處,束狀孔單元峰值壓力