基于ANSYS/LS-DYNA的互層煤巖爆破數(shù)值模擬

馮 輝，張華棟

(葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆 烏魯木齊 830000)

基于ANSYS/LS-DYNA的互層煤巖爆破數(shù)值模擬

馮 輝，張華棟

(葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆 烏魯木齊 830000)

為了分析互層煤巖爆破過程，利用有限元動力軟件ANSYS/LS-DYNA，建立了含有7個分層的露天煤礦臺階爆破模型。模擬分析了互層巖體爆破過程壓力波的傳播衰減規(guī)律，數(shù)值計算結(jié)果表明：爆轟壓力波的傳播受互層交界面影響明顯，爆轟壓力波衰減快，局部范圍易形成高爆壓區(qū)域。在不同的煤巖層中，其有效應(yīng)力分層現(xiàn)象明顯，裂隙區(qū)成不連續(xù)分布。

臺階爆破；互層煤巖；數(shù)值模擬

0 引 言

新疆圣雄能源股份有限公司黑山煤礦位于新疆吐魯番地區(qū)，作為我國重要的能源基地，煤炭儲量豐富，區(qū)內(nèi)露天煤礦多采用爆破方式進行生產(chǎn)。其主采煤層位于泥巖層及砂巖層之間，具有典型的互層結(jié)構(gòu)特征。互層煤巖體具有軟硬相間的力學特性，其存在多個結(jié)構(gòu)面。在爆炸過程中，結(jié)構(gòu)面的存在會引起應(yīng)力波的多次透反射，導(dǎo)致應(yīng)力波在不同煤巖體上的傳播的不穩(wěn)定，并進一步造成爆破能量的分布不均[1-2]。爆破后通常容易出現(xiàn)大塊、根底、側(cè)拉、后拉、飛石危害及爆堆不規(guī)整等問題，使得挖運效率降低、安全風險增大、生產(chǎn)進度滯后、工藝成本增加，嚴重影響礦山正常的生產(chǎn)運營。

為了分析研究互層煤巖體的爆破問題，本文選擇具有代表性的某一露天臺階為工程背景，以實際施工中的孔網(wǎng)參數(shù)以及煤巖巖石力學參數(shù)為基礎(chǔ)，并運用ANSYS/LS-DYNA作為數(shù)值模擬的工具，分析全孔裝藥爆破及分段裝藥爆破下互層煤巖體應(yīng)力傳播規(guī)律，及可能的煤巖體破壞特征。

1 數(shù)值計算模型

1.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬對象為礦區(qū)某含不同煤巖層的臺階，臺階內(nèi)共含有七個分層，由于實際中的孔網(wǎng)參數(shù)與煤巖體范圍較大，為了減少數(shù)值計算量，本文中建立的模型為準二維計算模型，模型單元選擇為Solid164單元，模型中的巖體與現(xiàn)場工程相對應(yīng)。實際臺階高度為10 m，臺階邊坡角度為60°。該露天礦裝藥方式通常為連續(xù)裝藥，其爆破參數(shù)如表1所示。數(shù)值模型中的下邊界和右邊界設(shè)置，以及臺階坡腳最左端邊界均設(shè)置為無反射邊界條件，其他邊界均為自由邊界，且模型不考慮重力對數(shù)值計算的影響。數(shù)值模擬采用ALE算法(任意的lagange算法)，炸藥與巖體之間的作用采用流固耦合處理，炸藥采用EULER網(wǎng)格。數(shù)值計算模型見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

1.2 材料參數(shù)

本文中的數(shù)值模擬主要涉及到煤巖、砂巖、泥巖、表土及炸藥5種材料，其中炸藥作為煤巖爆破過程中的能量供應(yīng)，主要通過膨脹做功以及應(yīng)力波對巖體作用。其材料選用模型“MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN”,并采用JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆炸后其關(guān)系[3]，其表達式為：

(1)

式中，p、V為爆炸產(chǎn)物的壓力與體積；A、B、R1、R2、ω、E為炸藥狀態(tài)方程參數(shù)。各炸藥參數(shù)見表2。

表2 炸藥參數(shù)

(2)

(3)

表3 黑山露天礦邊坡巖土物理力學性質(zhì)指標

1.3 材料的破壞準則

巖體爆破時，由于強大的沖擊作用及大量的爆生氣體，爆破區(qū)域附近會依次產(chǎn)生粉碎區(qū)、裂隙區(qū)。利用Von-Mises準則能很好的反映巖體爆破工程的破壞情況[7-8]。本文數(shù)值模擬中的巖體破壞準則選擇為Von-Mises準則，其具體判據(jù)如下：

(4)

式中，σ0為巖體中Von-Mises有效應(yīng)力；σcd、σtd為巖體的動抗壓強度和動抗拉強度。當σ0>σcd時，周圍巖體受壓破壞，形成壓碎區(qū)；當σ0>σtd時，巖體在拉應(yīng)力作用下破壞，形成裂隙區(qū)。

2 互層煤巖體模擬結(jié)果與分析

對于巖體來說，波阻抗是表征巖體應(yīng)力波傳播特性的一個重要參數(shù)，它定義為巖體的密度和縱波波速的乘積。通常，不同的巖性波阻抗不同。對于互層巖體，由于存在多組結(jié)構(gòu)面，應(yīng)力波在傳播過程中必然會在巖層中發(fā)生多次折返射，加速巖層的損傷變形。圖2為爆炸過程中不同時刻的壓力云圖。

圖2爆破過程數(shù)值模擬

由圖2可知，爆破開始時，炮轟壓力波開始在砂巖中傳播，致使周圍巖體應(yīng)力迅速增大；在954 μs時，應(yīng)力波經(jīng)過泥巖層時發(fā)生了反射，砂巖中部分巖體處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)；在此時間段內(nèi)，煤層段發(fā)生爆破，炮孔周圍的煤層既有橫向傳遞的壓縮波也有斜向透射過來的應(yīng)力，隨著炮孔繼續(xù)往上爆破，爆破壓力波逐漸向四周擴展，形成一連續(xù)的三角爆轟壓力波。隨著互層交界面處應(yīng)力波的透反射，較炮孔較遠的部分煤巖體開始受發(fā)射拉伸波的作用，應(yīng)力波發(fā)生衰減，并在部分區(qū)域處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)；又加之各層爆轟波傳播速度的不同，三角形的炮轟波逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階狀的炮轟波，并最終呈現(xiàn)出局部高壓力的非連續(xù)狀態(tài)，如t=2040 μs及t=3060 μs圖像。

圖3為炮轟過程中某一時刻Von-Mises有效應(yīng)力分布狀況，由于巖性的不同，其有效應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯分層現(xiàn)象。不同于完整煤層或巖層爆破時炮孔周邊依次分布著彈性區(qū)、裂隙區(qū)、壓碎區(qū)的現(xiàn)象，互層巖體由于炮轟波傳播過程中局部應(yīng)力集中，炮轟能量回彈的現(xiàn)象，遠離炮孔的部分區(qū)域周圍必然存在裂隙區(qū)不連續(xù)的現(xiàn)象，致使巖體發(fā)生分區(qū)破壞。

圖3 t= 2458 μs時刻Von-Mises有效應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

通過ANSYS/LS-DYNA軟件對某含互層煤巖體的邊坡進行爆破模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，互層巖體交界面的存在對爆轟壓力波的傳播有著顯著影響，其會加速爆轟壓力波的衰減，尤其在交界面附近，并在局部范圍內(nèi)會形成高爆壓區(qū)域。巖體內(nèi)部的有效應(yīng)力受互層影響，呈明顯分層現(xiàn)象。巖體裂隙區(qū)受互層影響，存在不連續(xù)分布狀況。

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2017-05-08)

馮 輝(1969-)，男，重慶人，高級工程師，現(xiàn)主要從事礦業(yè)與水利水電工程施工管理工作，Email：842924970@qq.com。