安慶銅礦富水炮孔導爆索起爆沖擊波分析

汪洪濤 隋少飛

(銅陵有色冬瓜山銅礦)

在深孔爆破中，采用導爆索起爆炸藥具有施工方便、起爆性能可靠、起爆方式靈活等優點［1-6］。不耦合裝藥結構具有減少爆破震動和延長炸藥爆炸的作用時間等優點。安慶銅礦的VCR采礦法大直徑深孔采用導爆索起爆。爆破過程中，需要采用水孔爆破技術。本研究借助ANSYS有限元數值計算軟件，模擬分析爆破索起爆后分別在空氣中和在水中爆炸沖擊波超壓最大值與時間的關系，分析富水炮孔采用導爆索起爆的合理性。

1 模擬方法簡介

安慶銅礦的VCR法如圖1所示。LS－DYNA3D借助ANSYS數值模擬軟件進行前處理建立計算模型。ANSYS/LS－DYNA3D的有限元數值分析流程如圖2所示。鋼管內的導爆索起爆模擬流程見圖3。

2 空氣介質爆破沖擊波分析

2.1 數值模擬模型的建立

采用外徑為73 mm的炮孔，采用LS－DYNA3D進行數值計算。數值計算模型中，導爆索在炮孔內部的頂端，乳化炸藥放在炮孔的底部，具體模擬參數如圖4所示。

2.2 數值計算結果分析

按照導爆索起爆后引發炸藥爆炸沖擊波壓強與時間的關系如圖5所示。

(1)開始起爆時，導爆索的藥芯開始線性起爆。

(2)爆炸沖擊波在導爆索和炮孔內壁相切最近的地方開始第1次反射。

圖1 VCR法炮孔示意1—分段巷道;2—上部硐室進路;3—上部硐室;4—下部硐室進路;5—下部硐室;6—切割天井;7—溜礦井

圖2 ANSYS/LS－DYNA 3D的有限元數值分析流程

圖3 鋼管內的導爆索起爆模擬流程

(3)爆炸沖擊波以導爆索為軸心向外傳播，爆炸沖擊波的反射點逐漸沿炮孔的內壁向下移動。

(4)爆炸沖擊波在空氣中傳送到藥卷處，在藥卷的表面產生反射并疊加沖擊波。

炸藥卷數值計算模型有限元2 233號單元體的超壓與時間關系如圖6所示。

由圖6可知2 233號單元體處的沖擊波壓強的最大值是0.180 3 MPa，超壓作用延長時間是10.8μs。

圖4 空氣作為爆破介質具體爆破模擬參數圖(單位:cm)

圖5 空氣介質下爆破炮孔內的沖擊波壓強云圖

圖6 2 233號單元體的壓強與時間關系圖

3 導爆索在水中的爆破特性

3.1 導爆索在水中的沖擊波特性分析

相對于空氣而言，水具有不可壓縮性，因此，水作為爆破介質具有傳能性能強的特征。導爆索在水中爆炸后分為爆炸、沖擊波傳播、脈動3個部分，本次有限元計算模擬炮孔內導爆索爆炸后沖擊波的傳播、反射與疊加現象。

3.2 水中起爆數值計算結果分析

數值計算結果根據時間的變化后炮孔內的壓強如圖7所示。

圖7 導爆索在水介質中爆炸的壓強云圖

(1)導爆索在水中起爆后，爆破后產生的沖擊波最先開始在導爆索和炮孔的內壁相切的地方產生反射，然后沖擊波沿炮孔內壁往下移動。

(2)水中爆炸沖擊波沿著比較規則的柱狀面向外擴張，當爆破后的時間為4.58μs左右時，水里的沖擊波反射到炮孔的頂端，第2次反射后沖擊波的開始形成。

(3)水中爆炸反射后的沖擊波在內炮孔的內壁往下移動，直到和底部匯合。

(4)在炮孔內的底部匯集之后，當爆破后的時間為37.20μs左右時，水里面的沖擊波面在炮孔的內底部開始反向反射;當爆破后得時間為43.06μs及50.03μs左右時，水中的沖擊波又向炮孔的頂部開始傳播形成第2次反射。

圖8是導爆索在炮孔內爆炸后在水中產生沖擊波的超壓與時間關系圖，有限元模型內第1 666單元體的超壓最大值是1.14 MPa。

圖8 第1 666水介質單元體的壓強－時間曲線

由計算結果可知:導爆索爆炸后在水中產生的沖擊波的超壓值要比在空氣中爆炸后產生的沖擊波超壓值顯著加大，時間也延長。其原因是水的壓縮性較小、傳遞能量的性能較強、沖擊波的傳播速度大，起爆后在炮孔內經過反復反射與疊加，使沖擊波的超壓最大值及作用時間都提高。

4 結論

在安慶銅礦的VCR采礦法大直徑深孔爆破過程中，通常會遇到一些地下水豐富的炮孔需要采用水孔爆破技術。由有限元數值計算結果可知，炮孔中有水不僅不可能降低導爆索的起爆能力，反而會增大導爆索的起爆性能。同時，可延長沖擊波作用在炮孔壁上的時間，使爆破效果更好。

［1］ 劉鵬程.地下大直徑深孔空氣間隔裝藥結構探討［J］.礦業研究與開發，1994，14(4):21-25.

［2］ 宋 浦.炸藥空中與水中爆炸沖擊波超壓的換算關系［J］.火炸藥學報，2008，31(4):16-19.

［3］ 黃寅生，楊貴華，臧小為，等.鋁殼金屬導爆索性能研究［J］.爆破器材，2008，37(3):34-37.

［4］ 彭 康，李夕兵.海下點柱式開采的有限元動態模擬分析［J］.金屬礦山，2009(10):59-65.

［5］ 東兆星，邵 鵬.爆破工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［6］ 陳天云.馬路坪礦中深孔分段礦房不同跨度的穩定性分析［J］.現代礦業，2010(11):5-8.