影響光面爆破效果和空孔處能量分布的試驗研究

楊賽群，李洪偉,2,吳立輝，劉 偉,2

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.馬鞍山江南化工有限責任公司，安徽 馬鞍山 243033)

光面爆破技術廣泛應用于隧道掘進、礦山邊坡控制及交通等爆破工程中，并且取得良好效果和經濟效益。由于受到巖體本身的性質、裝藥結構、不耦合系數(shù)、炸藥性能、爆破參數(shù)和爆破施工工藝等因素的影響，光面爆破的效果往往難以控制[1-2]。

光面爆破主要采用不耦合裝藥結構，避免了爆炸沖擊波直接作用于炮孔內壁，降低了沖擊波峰值，減少了孔壁的破壞。由于不耦合介質的存在，延長了爆轟氣體靜壓的作用時間，使巖體受到持久、均勻的應力作用[3-4]。陳明等[5]通過理論推導和數(shù)值模擬，提出了一種新的輪廓爆破孔壁壓力峰值計算方法；李桐等[6]通過改變耦合介質和不耦合系數(shù)，得到水耦合和空氣耦合的能量傳遞效率；潘強等[7]根據(jù)損傷分布特征公式定義了臨界不耦合系數(shù)K0，闡述了不耦合系數(shù)和巖石損傷分布的關系。同時隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展(ANSYS、AUTODYN等)，越來越多的研究者使用仿真軟件模擬現(xiàn)場試驗，得出許多可靠結論[8-9]。

大多數(shù)論文主要研究單一因素對光面爆破的影響，如孔壁壓力、耦合介質等。本文綜合考慮孔間距和不耦合系數(shù)相互作用下，裝藥孔孔壁壓力和空孔孔壁上的拉應力對光面爆破效果的影響，結合ANSYS/LS-DYNA對孔間間隔裝藥進行模擬，觀察混凝土損傷分布、裝藥孔孔壁峰值壓力和空孔處反射的拉應力，對數(shù)據(jù)進行分析，為光面爆破參數(shù)計算提供一定的理論支持。

1 試驗方案

1.1 模型設計

本試驗模型采用C35等級的混凝土，由罐車直接澆筑而成，試件長70 cm，寬70 cm，高40 cm，裝藥長度9 cm，填塞長度8 cm，最小抵抗線12 cm，炮孔布置如圖1所示。試驗各裝藥孔采用1發(fā)8號瞬發(fā)電雷管+0.5 g RDX。

圖1 炮孔布置Fig.1 Hole layout

采用2組混凝土模型進行對比試驗，模型共布置5個炮孔，1、3、5號為裝藥炮孔，2、4號作為空孔(見表1)。

表1 炮孔參數(shù)和不耦合系數(shù)

1.2 空孔效應及孔壁壓力計算

光面爆破會在空孔周圍產生空孔效應，即炸藥爆炸產生的應力波會在空孔處產生反射拉應力，當拉應力大于巖石抗拉強度時，會對巖石造成損傷，有利于輪廓面的形成。其巖石受拉破壞滿足條件可以表示為[10]

(1)

式中：σθmax為炸藥爆炸產生的應力波在空孔處反射的最大拉應力，MPa；[σθ]為巖石抗拉強度，MPa；L為空孔中心至裝藥孔中心距離；Rh、R分別為裝藥半徑和空孔半徑，mm；α=2-μ/(1-μ)為應力波衰減系數(shù)，λ=μ/(1-μ)為側應力系數(shù)。

裝藥孔孔壁壓力可由下式計算[5]

(2)

式中：pr為孔壁峰值壓力；pw為平均爆轟壓力，pw=(ρeD2)/[2(k+1)]；pk為炸藥的臨界壓力；k、γ為絕熱指數(shù)，k=3，γ=1.3；n′為沖擊波碰撞壓力增大倍數(shù)；dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑；ls為軸向裝藥系數(shù)。

2 試驗結果及分析

1)試驗1爆后效果如圖2所示。

圖2 不同不耦合系數(shù)爆后情況Fig.2 The situation after detonation with different decoupling ratio

對試驗1爆后的炮孔長度進行測量，其情況如表2所示。

表2 爆后根底長度

爆破后對試塊表面平整度進行測量，測點為兩炮孔之間位置，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制,如圖3所示。

圖3 不平整度Fig.3 Irregularity

由圖2和表2可知，在炮孔間距為10 cm時，不同不耦合系數(shù)爆破都殘留較多根底，由于夾制作用的存在，根底主要分布在中間3個孔。其中在k=3.33時，爆炸應力波經過衰減后到達空孔處經反射產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，致裂作用不明顯，根底殘留最多。從圖3可以看出，當k=2.67時，形成的輪廓面較為平整，測點之間最大差值為0.3 cm；k=2.00時，炸藥爆炸產生的沖擊波直接作用于孔壁的壓力過大，裝藥孔周圍混凝土損傷嚴重，輪廓面不平整。

2)試驗2爆后效果如圖4所示。

對試驗2爆后的炮孔長度進行測量，其情況如表3所示。

表3 爆后根底長度

爆破后對試塊表面平整度進行測量，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制如圖3所示。

圖5 不平整度Fig.5 Irregularity

由圖4和表3得，改變炮孔間距為8 cm時，在k=2.00和k=2.67時，減少孔間距的情況下，在空孔處反射拉伸的拉應力增強，大于混凝土的抗拉強度，混凝土產生較大裂縫，隨后在爆生氣體的作用下形成貫通裂縫，根低殘留少，改善了光面爆破的效果。在k=3.33情況下，殘留大量根底，主要因為不耦合系數(shù)較大直接作用于孔壁壓力較小，爆炸應力波衰減后在空孔處的拉應力小于混凝土的抗拉強度，導致爆破效果較差。由圖5可知，在k=2.67和k=3.33情況下輪廓面比較平整；k=2.00時平整度較差，原因與試驗一相同都是由于不耦合系數(shù)較小，爆炸產生的沖擊波經過空氣的緩沖作用之后作用于孔壁的壓力還是遠遠大于混凝土的抗壓強度，對孔壁破壞嚴重。

3 徑向不耦合裝藥數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

巖石采用拉格朗日算法，空氣和炸藥采用歐拉算法，巖石和空氣之間采用流固耦合方法進行計算。為了更方便觀察巖石損傷和節(jié)省計算時間，建模時采用二維平面模型，模型大小70 cm×70 cm。混凝土采用RHT材料；空氣采用MAT_NULL材料；炸藥采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型來模擬炸藥爆炸過程，單位采用cm-g-μs。

為了直觀地反映出混凝土受到爆炸沖擊時混凝土受到的損傷程度，混凝土材料模型采用RHT材料，RHT能夠很好的模擬出混凝土等脆性材料在受到爆炸沖擊、彈體侵徹等過程中的動態(tài)力學行為[11-12]。

混凝土相關參數(shù)：密度ρ=2.4 g/cm3,單軸抗壓強度35 MPa,初始損傷參數(shù)取0.04，損傷參數(shù)取1，拉壓強度比取0.1，剪壓強度比取0.18[13]。

在該軟件中*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料定義炸藥爆轟模型，同時選用JWL狀態(tài)方程描述炸藥爆炸過程。

(3)

式中：P為爆轟產物內部壓力；V為爆轟產物相對體積；E0為初始比內能；A、B、R1、R2、ω為與炸藥有關的常數(shù)。

炸藥具體參數(shù)如表4所示。

表4 炸藥參數(shù)

空氣使用*MAT_NULL，密度為1.29 kg/m3,狀態(tài)方程用EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL來描述：

P=(C0+C1μ+C2μ2+C3μ3)+(C4+C5μ+C6μ2)eipvo

(4)

式中：C0-C6為狀態(tài)方程參數(shù)；μ為體積比，取1.4；eipvo為內能與初始體積之比。

3.2 模擬結果與分析

1)試驗1。炮孔間距10 cm，混凝土損傷如圖6所示。

圖6 炮孔損傷分布情況Fig.6 The damage distribution of hole

由圖6可以看出，隨著不耦合系數(shù)的增大，炮孔周圍的嚴重損傷區(qū)域減小。對裝藥孔周圍嚴重損傷區(qū)域(紅色區(qū)域)進行測量得到不耦合系數(shù)為2.00、2.67、3.33情況下的損傷面積之比為1.25∶1.14∶1。

由圖6a得出，裝藥孔起爆后，首先對周圍炮孔造成嚴重損傷，在炸藥爆炸產生的應力波向四周傳播，在遇到空孔壁之后反射為拉伸波，在t=35 μs時空孔處產生拉壓損傷；在t=70 μs在裝藥孔和空孔之間形成貫穿損傷。空孔處產生的拉應力光面爆破形成具有重要作用。對各種不耦合系數(shù)情況下，裝藥孔與空孔之間均形成貫穿損傷，但是由于裝藥孔孔壁初始壓力的不同，炮孔之間的損傷程度也不相同。

在模型裝藥孔和空孔連線處取緊靠空孔一個點，觀察不同耦合系數(shù)空孔附近的應力變化。

圖7 應力時程Fig.7 Stress time history

k=2.00時，單元受到最大壓應力為4.2 MPa，隨后遇到孔壁反射產生方向相反的拉應力作用，最大值為6.1 MPa。k=2.67時，最大壓應力為2.3 MPa，產生的最大拉應力為4.2 MPa。k=3.33時，最大壓應力為1.8 MPa，最大拉應力為1.9 MPa。不耦合系數(shù)由2.00增大到2.67時，空孔處的最大壓應力減少了45%，最大拉應力減少31%。不耦合系數(shù)由2.67增大到3.33時，最大壓應力減少22%，最大拉應力減少30%。可以看出增大不耦合系數(shù)，可以有效的降低周邊空孔的應力強度。

2)試驗2。炮孔間距8 cm，混凝土損傷如圖8所示。

裝藥孔周圍嚴重損傷區(qū)域規(guī)律與試驗1相似。

由圖8a可知，在k=2.00情況下，裝藥孔爆炸引起周邊空孔出現(xiàn)應力集中和損傷的情況要比試驗1提前9 μs，主要是因為孔間距的減小，減少了爆炸應力波傳播時間，同時減少了應力波的衰減，使得空孔處反射的拉應力更大。對比圖8和圖6可知，在孔間距為8 cm時，空孔的定向致裂作用更加明顯，裝藥孔和空孔之間的裂紋和損傷程度小。

在模型裝藥孔和空孔連線處取緊靠空孔一個點，觀察不同耦合系數(shù)空孔附近的應力變化。

圖9 應力時程 Fig.9 Stress time history

k=2.00時，單元受到最大壓應力為6.9 MPa，隨后遇到孔壁反射產生方向相反的拉應力作用，最大值為8.8 MPa。k=2.67時，最大壓應力為4.1 MPa，產生的最大拉應力為6.1 MPa。k=3.33時，最大壓應力為2.7 MPa，最大拉應力為2.9 MPa。不耦合系數(shù)由2.00增大到2.67時，空孔處的最大壓應力減少了41%，最大拉應力減少30%。不耦合系數(shù)由2.67增大到3.33時，最大壓應力減少34%，最大拉應力減少52%。與試驗1相比，孔間距的減少，相同的不耦合系數(shù)最大壓應力約是試驗1的1.6倍，產生的最大拉應力是試驗1的1.4倍，減少孔間距，可以有效的減少應力波的衰減從而提高空孔處的應力強度。在爆炸載荷的作用下，空孔的存在改變了混凝土周圍應力分布，在裝藥孔和空孔連線上產生應力集中，此時該方向上的拉應力最大。

在3種不耦合系數(shù)情況下，在裝藥孔附近取點測量孔壁峰值壓力如圖10所示。

圖10 孔壁壓力Fig.10 Hole wall pressure

由數(shù)值模擬的得到的孔壁峰值壓力和由式(2)計算的孔壁峰值壓力如圖11所示。

圖11 模擬值與計算值比較Fig.11 The simulated value is compared with the calculated value

由圖10可得，數(shù)值模擬和理論計算得到的孔壁峰值壓力具有一致性。在不耦合系數(shù)為2.00時，炸藥爆炸時孔壁峰值壓力達到數(shù)百兆帕，對孔壁破壞嚴重，增大不耦合系數(shù)可以有效地降低峰值壓力，減少對孔壁的破壞。由圖11可得，數(shù)值模擬和理論公式在不耦合系數(shù)為2時差距較大。空氣不耦合裝藥時,爆轟擾動形成的空氣沖擊波在炮孔內的空氣層中傳播時，波陣面的速度、壓力和質點移動速度會隨距離的增加呈指數(shù)型衰減，隨著不耦合系數(shù)的增大迅速減小并趨于穩(wěn)定[14-15]。

從試驗和數(shù)值模擬結果可以得出，兩種孔間距情況下，k=3.33時空孔壁反射拉應力小于巖石的極限抗拉強度，爆破效果差；k=2.00時裝藥孔炸藥爆炸作用于孔壁壓力較大，炮孔周圍破壞嚴重，形成輪廓面不平整；在k=2.67時效果較好，空孔處反射的拉應力大于混凝土的抗拉強度，同時a=8 cm時，增大了炮孔連線處的應力集中情況和應力波疊加情況，使得巖石更易產生徑向和切向初始裂隙，減少了巖石的夾制作用，根底情況得到解決。

4 結論

1)使用混凝土試塊對光面爆破進行試驗發(fā)現(xiàn)3種不耦合系數(shù)下，在孔間距為8 cm，不耦合系數(shù)為2.67時效果最好，沒有殘留根底，輪廓面較為平整。實際工程中可以通過增大不耦合系數(shù)，減少孔間距來保護孔壁。

2)通過使用ANSYS/LS-DYNA對試驗進行模擬，試驗2與試驗1相比，孔間距減少2 cm，相同的不耦合系數(shù)空孔處壓應力約是試驗1的1.6倍，反射產生的拉應力是試驗1的1.4倍；在空孔和裝藥孔連線處有應力集中情況和明顯的拉壓損傷，有利于平整輪廓面的形成。