安慶銅礦富水炮孔導(dǎo)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(dǎo)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(yōu)點(diǎn)［1-6］。不耦合裝藥結(jié)構(gòu)具有減少爆破震動(dòng)和延長(zhǎng)炸藥爆炸的作用時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。安慶銅礦的VCR采礦法大直徑深孔采用導(dǎo)爆索起爆。爆破過(guò)程中，需要采用水孔爆破技術(shù)。本研究借助ANSYS有限元數(shù)值計(jì)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(shí)間的關(guān)系，分析富水炮孔采用導(dǎo)爆索起爆的合理性。

1 模擬方法簡(jiǎn)介

安慶銅礦的VCR法如圖1所示。LS－DYNA3D借助ANSYS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行前處理建立計(jì)算模型。ANSYS/LS－DYNA3D的有限元數(shù)值分析流程如圖2所示。鋼管內(nèi)的導(dǎo)爆索起爆模擬流程見(jiàn)圖3。

2 空氣介質(zhì)爆破沖擊波分析

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

采用外徑為73 mm的炮孔，采用LS－DYNA3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算模型中，導(dǎo)爆索在炮孔內(nèi)部的頂端，乳化炸藥放在炮孔的底部，具體模擬參數(shù)如圖4所示。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

按照導(dǎo)爆索起爆后引發(fā)炸藥爆炸沖擊波壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

(1)開(kāi)始起爆時(shí)，導(dǎo)爆索的藥芯開(kāi)始線(xiàn)性起爆。

(2)爆炸沖擊波在導(dǎo)爆索和炮孔內(nèi)壁相切最近的地方開(kāi)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(jìn)路;3—上部硐室;4—下部硐室進(jìn)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(shù)值分析流程

圖3 鋼管內(nèi)的導(dǎo)爆索起爆模擬流程

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

(4)爆炸沖擊波在空氣中傳送到藥卷處，在藥卷的表面產(chǎn)生反射并疊加沖擊波。

炸藥卷數(shù)值計(jì)算模型有限元2 233號(hào)單元體的超壓與時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知2 233號(hào)單元體處的沖擊波壓強(qiáng)的最大值是0.180 3 MPa，超壓作用延長(zhǎng)時(shí)間是10.8μs。

圖4 空氣作為爆破介質(zhì)具體爆破模擬參數(shù)圖(單位:cm)

圖5 空氣介質(zhì)下爆破炮孔內(nèi)的沖擊波壓強(qiáng)云圖

圖6 2 233號(hào)單元體的壓強(qiáng)與時(shí)間關(guān)系圖

3 導(dǎo)爆索在水中的爆破特性

3.1 導(dǎo)爆索在水中的沖擊波特性分析

相對(duì)于空氣而言，水具有不可壓縮性，因此，水作為爆破介質(zhì)具有傳能性能強(qiáng)的特征。導(dǎo)爆索在水中爆炸后分為爆炸、沖擊波傳播、脈動(dòng)3個(gè)部分，本次有限元計(jì)算模擬炮孔內(nèi)導(dǎo)爆索爆炸后沖擊波的傳播、反射與疊加現(xiàn)象。

3.2 水中起爆數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果根據(jù)時(shí)間的變化后炮孔內(nèi)的壓強(qiáng)如圖7所示。

圖7 導(dǎo)爆索在水介質(zhì)中爆炸的壓強(qiáng)云圖

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

(2)水中爆炸沖擊波沿著比較規(guī)則的柱狀面向外擴(kuò)張，當(dāng)爆破后的時(shí)間為4.58μs左右時(shí)，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(kāi)始形成。

(3)水中爆炸反射后的沖擊波在內(nèi)炮孔的內(nèi)壁往下移動(dòng)，直到和底部匯合。

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

圖8是導(dǎo)爆索在炮孔內(nèi)爆炸后在水中產(chǎn)生沖擊波的超壓與時(shí)間關(guān)系圖，有限元模型內(nèi)第1 666單元體的超壓最大值是1.14 MPa。

圖8 第1 666水介質(zhì)單元體的壓強(qiáng)－時(shí)間曲線(xiàn)

由計(jì)算結(jié)果可知:導(dǎo)爆索爆炸后在水中產(chǎn)生的沖擊波的超壓值要比在空氣中爆炸后產(chǎn)生的沖擊波超壓值顯著加大，時(shí)間也延長(zhǎng)。其原因是水的壓縮性較小、傳遞能量的性能較強(qiáng)、沖擊波的傳播速度大，起爆后在炮孔內(nèi)經(jīng)過(guò)反復(fù)反射與疊加，使沖擊波的超壓最大值及作用時(shí)間都提高。

4 結(jié)論

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

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