空氣間隔與耦合裝藥混凝土爆破對比分析

吳 亮，周 勇，楊 聃，段衛東，鐘冬望

（1.武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室，湖北武漢，430065；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢，430070；3.重慶梅溪河流域水電開發有限公司，重慶，404600）

空氣間隔與耦合裝藥混凝土爆破對比分析

吳 亮1，周 勇2，楊 聃3，段衛東1，鐘冬望1

（1.武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室，湖北武漢，430065；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢，430070；3.重慶梅溪河流域水電開發有限公司，重慶，404600）

采用動力有限元軟件LS－DYNA分析空氣間隔裝藥與耦合裝藥結構對混凝土介質的破壞機理，結合混凝土模型對兩種裝藥結構進行了光面爆破試驗。結果表明，采用空氣間隔裝藥結構進行爆破后，混凝土表面平整度要優于無空氣間隔的情況；空氣間隔裝藥結構能調節炸藥能量分布，使孔內爆炸壓力沿炮孔軸向的分布更均勻，從而提高炸藥爆炸能量的有效利用率。

空氣間隔裝藥；光面爆破；混凝土模型；模型試驗

為降低巖石開挖爆破對承載巖體的損傷與震動影響，在巖體開挖輪廓處通常采用預裂或光面爆破等輪廓爆破技術。傳統輪廓爆破中常采用不耦合裝藥結構方式，例如將乳化炸藥綁扎在貫穿全孔的導爆索上以達到徑向和軸向的裝藥不耦合，從而控制炮孔內的爆炸壓力和爆破損傷效應。但是，使用貫穿全孔的導爆索直接導致生產成本提高，且綁扎過程費工費時而延緩施工進度。因此，探求一種既能控制爆破開挖質量，同時又省時、經濟的輪廓爆破方式成為工程爆破領域的重要研究課題，特別是在復雜地質條件下的光面爆破技術已引起業內的廣泛關注［1－4］。

目前，空氣間隔爆破技術已在國外的采礦業中得到廣泛應用，并取得良好的效果，而其在預裂、光面爆破中的應用研究起步較晚。文獻［5］對空氣間隔爆破技術在預裂爆破中的應用進行了較為詳細的研究；文獻［6］討論了空氣層間隔裝藥輪廓爆破的機理、參數設計和炮孔底部裝藥段的爆破損傷控制等問題；文獻［7］研究了周邊孔空氣間隔光面爆破技術，發現周邊孔爆破效果良好，半孔率達95%以上，圍巖表面不平整度控制在15 cm以內，每次循環（進尺2.0 m）可降低成本100元左右；文獻［8］探討了空氣間隔裝藥方法在地下工程周邊孔裝藥中的應用；文獻［9－12］對空氣間隔裝藥光面爆破破巖機理進行了數值分析。本文采用動力有限元分析軟件LS－DYNA，并結合混凝土模型試驗，研究空氣間隔裝藥與耦合裝藥結構對混凝土介質的破壞差異。

1 材料模型選用及計算模型建立

1.1 混凝土損傷模型

混凝土受到爆炸沖擊荷載作用時，需要考慮大應變、高應變率和高圍壓下材料損傷實效的動態響應。本文采用的JHC（Johnson－Holmquist－Cook）模型是一種適用于高應變率、大變形下混凝土與巖石的材料模型，它與金屬材料中應用廣泛的Johnson－Cook材料模型相類似，其等效屈服強度是壓力、應變率和損傷量的函數，損傷量則是塑性體應變、等效塑性應變和壓力的函數。混凝土JHC模型的材料參數見文獻［13］。

1.2 炸藥狀態方程

LS－DYNA程序可以直接模擬高能炸藥的爆炸過程。炸藥點火后產生爆炸荷載作用于周圍介質，任意時刻爆源內一點的壓力P為［14］

式中：F為炸藥的化學能釋放率；D為炸藥爆速；t、t1分別為當前時間和炸藥內一點的起爆時間；Ae，max為炸藥單元橫截面積最大值；ve為炸藥單元體積；Peos為爆轟產物的壓力，由JWL狀態方程決定，其一般形式為

式中：V為爆轟產物的相對體積；E0為炸藥的初始比內能；A、B、R1、R2、ω為描述JWL方程的5個獨立物理常數。炸藥密度取為1 300 kg／m3，炸藥其他參數取值為［9］：D＝4 km／s，A＝214.4 GPa，B＝0.182 GPa，R1＝4.2，R2＝0.9，ω＝0.15，E0＝4 192 MJ／m3。

式中：C0～C6為常數；E為空氣的初始比內能；μ＝1／V－1。

1.3 數值計算幾何模型

空氣間隔裝藥結構計算模型見圖1，計算模型中包括3種物質：炸藥、混凝土與空氣。為簡化計算，堵塞采用混凝土材料。模型簡化為厚度方向只有一個單元的三維模型。3種物質均使用8節點6面體實體單元離散，模型厚度方向劃分為一個單元，空氣與炸藥均定義為多物質單元，使得所有物質能在網格內相互流動。對于空氣和炸藥，計算時采用歐拉算法，對于混凝土則采用拉格朗日算法。模型平面尺寸為400 mm×400 mm，炮孔直徑為8 mm，炮孔間距為133 mm，采用空氣間隔裝藥結構時，炮孔底部距離模型底部邊界150 mm，炸藥柱長為50 mm，空氣柱長為50 mm，堵塞長度為150 mm。采用耦合裝藥結構時，炸藥柱長為50 mm，堵塞長度為150 mm。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation model

2 計算結果與分析

耦合裝藥結構的孔壁單元位于裝藥段中部，空氣間隔裝藥結構的孔壁單元位于炸藥與空氣交界面處。兩種裝藥結構的孔壁單元壓力時程曲線如圖2所示，由圖2可見，耦合裝藥結構的孔壁單元壓力峰值約為3.8 GPa，而空氣間隔裝藥結構的孔壁單元壓力峰值為2.0 GPa，因此，耦合裝藥時爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區介質，導致光面爆破時炮孔近區的介質表面平整度較差。

圖2 孔壁單元壓力時程曲線Fig.2 Time－history curve of unit pressure at borehole

計算模型中考察單元的應力峰值如圖3和圖4所示，圖中橫坐標為考察單元與炮孔底部的垂直距離，其值為負表示考察單元位于炮孔底部以下。

圖3 考察單元的第一主應力峰值曲線Fig.3 First principal stress peek curves of the typical elements

圖4 考察單元的第三主應力峰值曲線Fig.4 Third principal stress peak curves of the typical elements

由圖3可見，在橫坐標為－0.10～0.08 m的范圍內，空氣間隔裝藥結構中考察單元的拉伸應力峰值均大于耦合裝藥結構中對應考察單元的拉伸應力峰值，這表明空氣間隔裝藥更有利于炮孔間裂紋的產生與擴展。在橫坐標為0.05 m處，兩種裝藥結構的考察單元拉伸應力峰值相差最大，耦合裝藥時拉伸應力峰值約為11.8 MPa，空氣間隔裝藥時拉伸應力峰值約為24.1 MPa，兩者相差約12.3 MPa，其主要原因是，空氣間隔裝藥結構中的空氣層使爆轟沖擊波在炸藥與空氣交界面處產生了向下的稀疏波。在橫坐標為0.08～0.15 m的范圍內，耦合裝藥結構中考察單元的拉伸應力峰值要大于空氣間隔裝藥結構中對應考察單元的拉伸應力峰值，這是因為，與空氣間隔裝藥相比，耦合裝藥時向上傳播的沖擊波強度較大，同時耦合裝藥結構中的裝藥位置也較高，強度越大的沖擊波在模型頂部自由面反射后形成的拉伸應力峰值也就越大。

由圖4可見，兩種裝藥結構的考察單元第三主應力峰值曲線形態基本一致，其差異主要表現在橫坐標為－0.05～0.10 m的范圍內，這時空氣間隔裝藥結構中考察單元的壓應力峰值要小于耦合裝藥結構中對應考察單元的壓應力峰值，而此段正好為裝藥段，這也進一步反映了耦合裝藥時爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區介質，同時表明耦合裝藥時炮孔的徑向壓力更大，在模型兩側會形成更大的拉伸應力，使爆破介質產生剝離現象，因此與空氣間隔裝藥相比，耦合裝藥爆破后的介質表面平整度較低。

3 混凝土爆破效果分析

3.1 試驗方案

模型試件采用425＃硅酸鹽水泥和篩選后的細砂澆注而成，其原料配比為w（水）∶w（水泥）∶w（細砂）＝0.7∶1∶4，養護28天，儲存50天。模型尺寸為400 mm×400 mm×400 mm，模型中央預留兩個炮孔，孔徑為8 mm，兩孔間距為133 mm，孔深為350 mm，采用細砂降低孔深，實際孔深為250 mm，炮孔底部裝填性能穩定的黑索金炸藥，每孔裝藥0.2 g，采用工業瞬發電雷管（0.6 g）反向起爆，因此實際每孔裝藥0.8 g。試驗分有軸向空氣間隔和沒有空氣間隔兩種情況，堵塞長度均為150 mm，有軸向空氣間隔的空氣層長度為50 mm，軸向不耦合系數為2。

3.2 爆破效果

爆破效果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，兩種爆破方式均能取得良好的爆破效果。采用空氣間隔裝藥結構時，空氣層的存在降低了炮孔峰值壓力并延長了爆破作用時間，減少甚至避免了因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎，擴大了破裂區范圍，提高了炸藥爆炸能量的有效利用率。此外，空氣間隔裝藥能調節炸藥能量分布，使孔內爆炸壓力沿炮孔軸向的分布更均勻，因此，采用空氣間隔裝藥結構爆破后，混凝土表面的平整度要優于無空氣間隔裝藥結構爆破后的情況。

圖5 軸向耦合裝藥爆破效果Fig.5 Blasting effect of axial coupling charge structure

圖6 空氣間隔裝藥爆破效果Fig.6 Blasting effect of air－deck charge structure

4 結論

（1）耦合裝藥時，炮孔徑向壓力大，其爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區介質，同時在模型兩側會形成更大的拉伸應力，使爆破介質產生剝離現象；空氣間隔裝藥時，炮孔之間的單元拉伸應力峰值相對較大，有利于炮孔間裂紋的產生與擴展。

（2）空氣間隔裝藥結構能調節炸藥能量分布，使孔內爆炸壓力沿炮孔軸向分布得更均勻，提高了炸藥爆炸能量的有效利用率。

（3）軸向耦合與空氣間隔裝藥光面爆破均能取得良好的爆破效果，但耦合裝藥爆破后的介質表面平整度要低于空氣間隔裝藥爆破后的介質表面平整度。

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Contrastive analysis of air－deck charge and coupling charge in smooth blasting

Wu Liang1，Zhou Yong2，Yang Dan3，Duan Weidong1，Zhong Dongwang1
（1.Hubei Province Key Laboratory of Systems Science in Metallurgical Process，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Hubei Institute of Water Resources and Hydropower Research，Wuhan 430070，China；3.Chongqing Meixi River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chongqing 404600，China）

LS－DYNA，a finite element analysis software，was employed to analyze the concrete failure mechanism when axial coupling charge and air－deck charge were used，respectively，and smooth blasting experiments were carried out with the concrete model.The results show that the concrete surface flatness with air－deck charge is better than that of axial coupling charge，and air－deck charge can regulate explosive energy distribution and make explosion pressure distribution along the axis of borehole more uniform，thus raising the efficiency of explosive energy use.

air－deck charge；smooth blasting；concrete model；model test

TD235.3

A

1674－3644（2012）03－0225－04

［責任編輯 尚 晶］

2011－11－06

國家自然科學基金與上海寶鋼集團有限公司“鋼鐵聯合研究基金”聯合資助項目（51004079，51174147）；湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目（B20091103）；武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室開放基金資助項目（C201002）.

吳 亮（1980－），男，武漢科技大學副教授，博士.E－mail：liangwu1980＠yahoo.com.cn