柱狀裝藥爆轟方向的研究

楊澤進，李 義，王嘉樂

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

柱狀裝藥爆轟方向的研究

楊澤進，李 義，王嘉樂

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

針對爆破中提高爆破質量和更好保護周圍環(huán)境的問題，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，動態(tài)模擬柱狀裝藥的爆破沖擊過程，從等效應力云圖和主應力-時間歷程曲線分析，探究柱狀裝藥爆炸中爆轟方向對應力波和主應力的影響情況，得出了柱狀裝藥爆破中可用炸藥爆轟方向來調整作用于巖體破碎能量的結論。

柱狀裝藥；爆轟方向；動態(tài)模擬；數(shù)值計算

本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，采用ALE算法動態(tài)模擬柱狀裝藥的爆破沖擊過程，探究爆轟方向對爆炸應力分布的影響情況，得出了一些大爆破柱狀裝藥中可用爆轟方向來控制能量分配的有益結論。

1 數(shù)值模擬計算

建模時的巖體模型尺寸按柱狀裝藥長度的3倍左右，巖體為100 mm×100 mm×500 cm，柱狀裝藥為12 cm×12 cm×120 cm，炸藥置于巖體模型的中心。根據(jù)結構對稱性和可視化,為了節(jié)約計算時間，可用1/4模型為研究對象，計算區(qū)域為50cm×50 cm×500 cm的矩形體，炸藥區(qū)域為6cm×6 cm×120 cm的小矩形體，炸藥區(qū)域位于計算區(qū)域的軸對稱線中心，見圖1。

起爆方式從柱狀裝藥下端面起爆。網(wǎng)格劃分采用爆炸近場網(wǎng)格密，中遠場網(wǎng)格疏的不等距網(wǎng)格。積分時間長為1200us，步數(shù)為200步。

數(shù)值計算的巖體采用塑性隨動硬化材料(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，其基本力學參數(shù)[1]如表1所示。

炸藥單元的材料采用高能炸藥材料（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），炸藥爆轟過程中壓力和比容關系[2]如下：

式中：A、B、R1、R2、W為JWL狀態(tài)方程參數(shù)（試驗確定的常數(shù)），如表2所示，為輸入?yún)?shù)；V為相對體積；E0為初始內能密度。對于初始密度ρ0=1.2g/cm3的TNT裝藥，參數(shù)為：爆速D=5500 m/s，爆壓PCJ=0.15×1011Pa。

圖1 計算模型尺寸

表1 巖體模型材料基本力學參數(shù)

2 模擬結果分析

2.1 等效應力云圖分析

柱狀裝藥端面起爆的等效應力云圖，見圖2，表示爆炸過程中巖體介質的應力發(fā)展過程。對1/4模型分析可得：起爆時，爆炸應力以水滴狀向外擴展，與之對應的是炸藥爆轟波傳播過程。爆轟起初，炸藥從柱狀裝藥起爆端面以球面波形式向外擴展，與此同時炸藥爆轟波也由起爆端向另一端（正向）傳播，波

陣面和炸藥縱向形成一定的角度，并幾乎保持穩(wěn)定向外進行傳播。隨著時間推移，起爆端強能量場的應力波將衰減，而弱能量場還保持著較好的水滴狀向外擴展。應力波波陣面沿著和炸藥縱向固定的角度向外擴散；一定時間后，柱狀裝藥爆轟過程結束，在柱狀裝藥中炸藥反應完全波陣面的角度逐漸減小。總之，柱狀裝藥端面起爆（正向起爆）爆炸應力主要朝一個方向傳播，即爆轟波的傳播方向主要朝一個方向傳播。巖體模型中的爆轟波傳播正方向的應力波始終大于其反方向的應力波，即爆轟波傳播正方向的巖體比其反方向更為破碎。

2.2 主應力時間歷程曲線分析

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

圖2 柱狀裝藥端面起爆等效應力云圖

柱狀裝藥爆轟波正方向與反方向上，任選2個對稱單元，可選擇x=0，y=0，但z不相同上的2個單元，得出主應力（maximum principal stress）-時間歷程曲線，見圖3。圖中單元45663表示爆轟波正方向上（0,0,480）處的單元（線上加△），單元2313表示爆轟波反方向上（0,0,20）處的單元（線上加×）。通過圖3分析可得：柱狀裝藥爆轟波正方向的主應力明顯大于其反方向的主應力。爆轟波傳播反方向滯后正方向，即爆轟波傳播正方向的巖體先于其反方向破碎。

圖3 主應力-時間歷程曲線

3 結束語

通過所述數(shù)值模擬結果的等效應力云圖和主應力-時間歷程曲線分析，在一定程度上揭示出：柱狀裝藥爆炸中，爆轟波傳播正方向的應力波和主應力始終大于其反方向，爆轟波傳播正方向的巖體比其反方向更為破碎且先破碎。利用此理論，在大爆破柱狀裝藥中就可利用炸藥爆轟波傳播方向來調整作用于巖體破碎的能量，使爆轟正方向沿沒有保護物的方向傳播，有保護物設置在其反方向上，使爆炸能量盡可能用到有效方面，相對降低爆炸震動的有害方面，進而保護周圍環(huán)境的安全。

[1]王慶國，何章義.工程爆破起爆方向研究[J].陜西理工學院學報(自然科學版)，2010，26(4)：32-36.

[2]刑精忠，王永崗，陳曉霞.ANSYS7.0分析實例與工程應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Study on Detonation Direction of Column Charge

YANG Ze-jin,LI Yi,WANG Jia-le
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

To improve blasting quality and environment protection,the finite element software, ANSYS/LS-DYNA,was used to dynamically simulate the blasting process.Equivalent stress cloud chart and principal stress-time course curve were analyzed to explore the effect of detonation direction on stress wave and the principal stress in column charge.The conclusion is that the detonation direction can be used to adjust rock broken energy in the column charge explosion.

column charge;detonation direction;dynamic simulation;numerical calculation

TD235.1

A

1672-5050（2012）09-0050-02

2012-02-12

楊澤進（1987—），男，貴州印江人，在讀碩士研究生，從事爆破理論及應用研究工作。

徐樹文