預裂孔間距的試驗研究及數值模擬

楊林兵，李玉能,2，張少秋，朱杰超,2，蒲恒強,2

(1.貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002； 2.貴州貴安新聯爆破工程有限公司，貴州 貴陽 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

預裂孔間距的試驗研究及數值模擬

楊林兵1，李玉能1,2，張少秋3，朱杰超1,2，蒲恒強1,2

(1.貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002； 2.貴州貴安新聯爆破工程有限公司，貴州 貴陽 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

通過模型試驗與有限元程序ABAQUS/Explicit建立混凝土材料模型對不同預裂孔間距條件下的預裂縫形成過程進行了模擬，兩種研究方法得到的結果一致表明：孔間距在炮孔直徑的11～13倍之間時，預裂爆破成縫效果最佳，為類似實際工程設計提供了理論依據。

預裂爆破；孔間距；模型試驗；ABAQUS/Explicit；成縫效果

隨著爆破技術要求的不斷提高，預裂爆破得到快速發展，在生產實踐中應用也較為成熟[1-13]。但實際生產中預裂爆破的參數設計一般依賴于工程類比、經驗公式以及現場試驗等方法[8-9]，缺乏正確的理論指導。目前，該類問題已經引起廣大學者的重視。其中，李彬峰[10]和陳慶凱[11]等對預裂縫的形成機理和預裂爆破參數的設計方法進行了研究和探討。張修玉、陳財偉、王樂、謝冰、王建國[1，4，17，12-13]等通過數值分析研究了孔間距、聚能效應、節理幾何特征等對預裂爆破效果的影響，為預裂爆破理論研究和參數的合理確定提供了一條有效途徑。本文在現有學者研究的基礎上，利用模型試驗和有限元軟件ABAQUS對不同預裂孔間距條件下的預裂爆破進行研究，試圖得出最佳的預裂爆破參數。

1 模型試驗

為了考察預裂孔間距對預裂爆破成縫效果的影響，在模型試驗中將預裂孔間距設置為單一變量進行分組討論，根據文獻[14]，在預裂爆破施工中，當預裂孔間距是預裂孔直徑的9～15倍時，爆破效果最好[1]。因此，模型試驗將考察預裂孔間距為預裂孔直徑的9，11，13，15倍4種情況下的成縫效果，找出最佳預裂孔間距。

1.1 試驗方案

模型試塊長寬高尺寸為600 mm×600 mm×120 mm，模型炮孔直徑為10 mm，炮孔布置及模型試塊如圖1所示。本組試驗通過改變預裂孔間距共設置4塊模型，單孔使用單發8#雷管進行試驗，外徑為6.5 mm，不耦合系數為1.54。模型試驗參數見表1。

圖1 模型尺寸

表1 模型試驗參數

1.2 試驗分析

4塊試驗模型起爆結束后，前3塊模型都沿炮孔連線方向形成了貫穿裂隙，第4塊模型由于炮孔間距較大，并未形成貫穿裂隙，試驗結果見圖2。

由圖2(a)可以看出，模型1中由爆破產生的裂隙貫穿至模型的兩邊，兩炮孔間的裂隙貫穿效果較好，并且在炮孔連心線與裂隙面相交的位置相遇，左側裂隙垂直貫穿至模型邊緣，而右側裂隙在貫穿至模型邊緣時發生了偏離，偏離角度在邊緣位置處達到約45°。表面裂隙不是很明顯，從側面觀察發現試塊板的中部裂隙較為明顯，中間炮孔部位有嚴重損壞的跡象。圖2(b)為模型2的爆破效果，模型直接沿炮孔連心線方向分離為兩塊，裂隙形態十分明顯，裂隙在貫穿至模型邊緣時偏離角度比較少，左側裂隙在邊緣處偏離角度小于10°，右側裂隙在三分之二位置處雖有偏離，但在模型邊緣仍垂直貫穿，炮孔間裂隙的貫穿也比較明顯。圖2(c)為模型3的爆破效果，裂隙已貫穿至模型的兩側，但兩側裂隙均有偏離，左側偏離角度較小，在10°以內，右側裂隙偏離角度較大，達到19°之多。兩炮孔間的裂隙貫穿效果較差，右側裂隙并未垂直到達裂隙面。圖2(d)為模型4的爆破效果，爆破產生的裂隙已貫穿至模型兩側的邊緣，但是表面裂隙不明顯，在邊緣處都發生了偏離，左側裂隙偏離角度在15°左右，右側裂隙偏離角度在30°左右。兩炮孔間的裂隙雖貫穿至原有裂隙面，但并未在炮孔連線上相遇，存在少許偏離。

圖2爆破效果

從4塊試驗模型的爆破效果來看，爆炸產生后，將在炮孔周圍產生壓碎區；由于爆生氣體的氣楔作用，將使裂隙沿著最小抵抗線方向擴展；同時由于介質內部的缺陷以及材料分布的不均勻，裂隙在擴展過程中將會發生偏離。綜上所述：若要使兩炮孔間形成良好的貫穿裂隙，預裂孔間距不宜過大也不宜過小，孔間距較小炮孔周圍會過度破碎，能量損失較大，不宜裂隙貫穿，孔間距較大不宜裂隙的產生，并且裂隙會偏離連心線方向。因此，最佳的預裂孔間距為炮孔直徑的11～13倍。

2 數值模擬

2.1 模型參數

計算模型按照試驗模型的尺寸來創建，模型大小長高寬為0.6 m×0.6 m×0.12 m，模型中設置3個炮孔，炮孔直徑為1 cm，間距分為9，11，13，15 cm 4組，采用C3D8R單元類型進行網格劃分，網格尺寸為0.01 m，單元數41240個，網格劃分見圖3。模型約束為底側采用垂直約束，荷載為沖擊波荷載，藥量設置每孔TNT當量為0.9 g，主要分析相鄰炮孔之間起爆后能否形成光面以及圍巖的應力變化。開裂模型選用脆性開裂模型Brittle Cracking，材料密度為2320 kg/m3，彈性模量為25 GPa，泊松比為0.3。

圖3 模型網格劃分

2.2 計算結果分析

模擬過程是3炮孔同時加載，模擬總時間為1 ms，應力結果見圖4～圖7。

從圖4～圖7可以看出，裂隙首先從炮孔向外擴展，由于相鄰炮孔間應力波的疊加作用，使裂隙優先在兩炮孔間貫穿，這與試驗中的爆破效果一致。對比幾組不同間距的模擬效果圖，發現在炮孔直徑相同的情況下，炮孔間距越小，成縫越容易。但是孔距較小時，炮孔破壞較為嚴重；孔距較大時，成縫效果不理想，因為炮孔間裂隙貫穿較慢，致使孔腔內的爆生氣體無法流出，對炮孔附近產生較大的壓力，造成了一定的破壞；本次模擬中發現：炮孔間距為炮孔直徑的11～13倍左右最為合適。

圖4 孔距9 cm t=1 ms時的應力云圖

圖5 孔距11 cm時的應力云圖

圖6 孔距13 cm時的應力云圖

圖7 孔距15 cm t=1 ms時的應力云圖

3 工程應用

貴州某城市地鐵建設明挖路段需要運用預裂爆破隔離主爆區與邊坡，以防止主爆區爆破損壞邊坡。爆區巖石級別為Ⅱ類，堅固性系數f=10～12，密度為2.46 kg/m3，彈性模量為30.56 GPa，泊松比為0.25。現場采用液壓潛孔鉆機，鉆孔直徑為90 mm，炮孔角度與邊坡一致，預裂孔間距1.1 m(炮孔直徑的12.2倍)，其他相關參數按照《爆破手冊》[14]設計施工。爆破成縫效果較好，開挖后邊坡未受損壞(見圖8)。

圖8 現場施工效果

4 結 論

通過模型試驗和數值模擬研究了不同預裂孔間距條件下的成縫效果，并結合實際工程應用，得到以下結論：

(1) 預裂爆破預裂孔間距不宜太小也不宜太大，無論是模型試驗還是數值模擬研究結果都表明：預裂孔間距為預裂孔直徑的11～13倍時，預裂縫成縫效果最佳。

(2) 實際工程應用證明ABAUQS中Brittle Cracking脆性開裂模型能夠較好的模擬預裂爆破孔之間的成縫情況，可為類似項目設計提供良好的理論依據。

(3) 本文只針對預裂孔間距的大小對預裂爆破成縫效果影響進行研究，并沒有考慮不耦合系數、裝藥密度等參數對預裂爆破成縫效果的影響。

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[14] 汪旭光．爆破手冊[M]．北京：冶金工業出版社，2010．

2017-06-23)

楊林兵(1988-)，男，助理工程師，從事爆破技術研究工作，Email：602574716@qq.com。