數(shù)值模擬在爆破工程教學中的應用探討

張袁娟，可　杰，農(nóng)冬靈

（1.河南工程學院安全工程學院，河南鄭州451191；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454000；3.鄭州宇通集團有限公司，河南鄭州450016；4.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050）

數(shù)值模擬在爆破工程教學中的應用探討

張袁娟*1,2，可杰3，農(nóng)冬靈4

（1.河南工程學院安全工程學院，河南鄭州451191；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454000；3.鄭州宇通集團有限公司，河南鄭州450016；4.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050）

針對爆破工程課程教學過程中存在的抽象的問題，引入數(shù)值模擬技術(shù)，對其中的抽象問題進行分析，舉例對臺階爆破和間隔裝藥進行了數(shù)值模擬建模分析，論證了數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教授過程中的應用及其意義，對類似課程的教學提供了可借鑒的理論。

爆破工程；數(shù)值模擬；舉例分析；臺階爆破；間隔裝藥

1　概述

隨著爆破工程技術(shù)在采礦和路橋建設(shè)中的普遍應用，且爆破技術(shù)作為采礦工程的主干課程，其學習和應用對采礦工程專業(yè)的就業(yè)和發(fā)展有很大的意義，但是在講授爆破工程課程中由于其研究對象的破壞性和不可重復性，使得現(xiàn)場試驗具有一定的困難，因此在講授相關(guān)課程的過程中，學生普遍反映存在抽象、晦澀難懂的問題，筆者將根據(jù)教學需要引入數(shù)值模擬技術(shù)作為輔助教學手段。

數(shù)值模擬是用來溝通理論模型和實驗研究的橋梁，其在爆破方面的應用是通過采用接近實際的數(shù)學物理模型，對巖石的動態(tài)破壞現(xiàn)象進行模擬，用以展示巖石爆破整個作用過程和效應，從而有助于深入認識了解巖石爆破作用機理；在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實用性和應用的廣泛性而言，主要還是有限單元法，同時數(shù)值計算結(jié)果的可靠性又可通過實驗研究得到佐證［1-2］。學習和了解數(shù)值模擬對爆破工程的學習有一定意義，尤其針對初學者，因此，本文結(jié)合筆者多年的教學和學習過程，對數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教學課程教學過程中的意義進行闡述。

2　我校爆破工程學習現(xiàn)狀

由于爆破工程學科屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，在學習了基本的學科《流體力學》、《巖石力學》、《高等數(shù)學》和計算機相關(guān)技術(shù)后進行學習，有力學和數(shù)學基礎(chǔ)后，爆破工程相關(guān)的數(shù)值模擬的學習將會有一定的基礎(chǔ)。另外，爆破工作作為井巷工程的前奏可以有承上啟下的銜接作用。

且在現(xiàn)有的爆破工程課程的學習過程中，由于教材眾多，教材講述的重點不盡相同，導致學生在學習過程中教輔課本選擇有困難，并且本校的學科背景為煤礦，由于學科背景的特點，多偏重瓦斯和放火方面知識，導致本校的學生對爆破工程的應用以及發(fā)展知之甚少，因此，上課過程中學生普遍提不起學習興趣，課程受不到足夠的重視，因此，教學過程中的生動和形象化對講授效果有重要的影響。

爆破工程技術(shù)作為礦山開采的重要技術(shù)之一，學習好爆破工程對學生的畢業(yè)設(shè)計和就業(yè)大有裨益。因此學習數(shù)值模擬在爆破工程課程中的應用有重要的意義，在爆破工程中對課程的掌握有很強大輔助的作用。

3　數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教授過程中的應用

（1）應用案例1：臺階爆破。臺階爆破是工作面以臺階形式推進的爆破方法，臺階爆破已經(jīng)廣泛的應用于礦山、鐵路、公路和水利水電等工程中，而且有數(shù)據(jù)表明我國今年來露天礦開采的產(chǎn)量比重，鐵礦石占90%，有色金屬礦石占52%，化工原料占70.7%，建筑材料幾乎100%，可見臺階爆破應用的廣泛性［3-5］，更加體現(xiàn)了其的重要性，但是關(guān)于臺階的相關(guān)參數(shù)理解，學生普遍反映理解有一定的困難，但是本校沒有可以進行試驗的平臺和儀器，也無露天礦模型可以參觀，因此理解的過程中依賴數(shù)值模擬技術(shù)較為實際。以下為筆者借助數(shù)值軟件LS-DYNA建立的臺階爆破模型。如圖1所示，可以清楚地看到臺階的平臺以及炮孔的布置，對露天礦的直觀了解可以加深學生的記憶。

圖1　臺階爆破數(shù)值模擬模型

（2）應用案例2：間隔裝藥。間隔裝藥方式屬于裝藥結(jié)構(gòu)一種，裝藥結(jié)構(gòu)是指裝藥在裝填時的狀態(tài)，在露天深孔爆破時候，分為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、分段裝藥結(jié)構(gòu)、孔底間隔裝藥結(jié)構(gòu)和混合裝藥結(jié)構(gòu)，因為孔底間隔裝藥可以做到：①孔底間隔裝藥中空氣可以起到降低爆炸沖擊波的峰值壓力，減少炮孔周圍巖石的粉碎性破壞；②巖石受到爆炸沖擊波的作用后，還受到爆生氣體所形成的壓力波和來自炮孔孔底的反射波作用，因此可以有效地增加巖石的微裂隙擴展；③可以有效地延長應力的作用時間，因為沖擊波作用于堵塞物或孔底后又返回到空氣間隔中，由于沖擊波作用多次，所以增加了作用時間，因為有以上的優(yōu)點，所以，孔底間隔裝藥技術(shù)在改善爆破效果方面得到了廣泛的應用［6-10］，但是學生在學習過程中對孔底間隔裝藥技術(shù)的理解很不全面，因此，必須借助數(shù)值模擬技術(shù)對其進行有效的詮釋，以下為間隔裝藥的數(shù)值模擬過程。

圖2　數(shù)值模擬臺階爆破間隔裝藥模型

圖2為數(shù)值模擬建模可以清晰的把臺階爆破呈現(xiàn)出來，圖3為底部間隔裝藥數(shù)值模擬裝藥結(jié)構(gòu)，底部為空氣，上部為炸藥，圖4為計算結(jié)果的第一主應力曲線，可以直觀觀察第一主應力隨時間變化過程，因為巖體在現(xiàn)實中往往存在節(jié)理裂隙，模型的建立選取了理想狀況下，因此，結(jié)果和實際結(jié)果有一定差距，但是其直觀和規(guī)律以及可預見性是不容置疑的，對控制爆破等爆破技術(shù)的預先計算作用是得到了廣泛肯定的，對爆破工程教學有很大的幫助作用。

4　結(jié)論

圖3　底部間隔裝藥裝藥示意圖

圖4　第一主應力數(shù)值模擬歷程曲線

本文對數(shù)值模擬在爆破工程中的應用進行了闡述，并針對我校的爆破工程講授內(nèi)容以及存在的問題進行分析，并進行了舉例分析數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程課程教學過程中的作用。結(jié)果表明，數(shù)值模擬技術(shù)可以形象地呈現(xiàn)教學內(nèi)容，并且可以有效地提高學生的學習興趣，學生可以直觀地感受到爆破工程課程的學習意義，提高學習質(zhì)量。

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［3］王玉杰.爆破安全技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

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［6］戴俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算［J］.遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2001，20（2）：144-147.

［7］白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實例分析［M］.北京：科學出版社，2005：70-72.

［8］張袁娟，黃金香，袁紅.緩沖爆破減震效應研究［J］.巖石力學與工程學報,2011，30（5）：967-973.

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TD235.4

B

1004-5716（2016）01-0195-02

2015-09-30

2015-10-08

河南工程學院博士基金（D2013022）；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目（14B440005）；鄭州市科技攻關(guān)項目（141PPTGG375）。

張袁娟（1983-），女（漢族），陜西渭南人，講師，現(xiàn)從事安全工程專業(yè)教學工作。