既有溶洞巖體爆破裝藥結構優化及數值模擬

夏治園 高朋飛,2 錢明淵 程 路 袁政委 崔子恒

（1.安徽江南化工股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽理工大學土木工程學院,安徽 淮南 232000）

喀斯特（巖溶）地貌是一種特殊的地貌單元,常見于灰巖地質區域,往往伴隨有大量的節理、溶洞等地質缺陷。溶洞是以巖體構造裂隙為基礎發育、經巖溶長期作用形成的空洞通稱[1-3]。溶洞的存在為鉆爆作業帶來極大困難,同時增加了露天臺階爆破設計和施工難度,往往會導致爆破效果欠佳、安全隱患增多等問題[4],如何在喀斯特地貌區安全有效地進行露天深孔臺階爆破作業,減小溶洞缺陷對于爆破效果的影響一直以來都是國內外學者和爆破工程師所關注的焦點。王二兵等[5-6]分析了喀斯特巖溶地質條件對爆破作業的不良影響。陳述云[7]根據喀斯特地貌巖層特征,針對不同巖層提出了相應的臺階爆破設計方向。余紅兵等[8]運用ANSYS/LS-DYNA數值仿真軟件對爆區附近有無溶洞模型進行對比分析計算,重點研究了附近巖體的位移和振速變化趨勢。萬國權等[9-10]對喀斯特地區爆破施工技術進行了改良。

本研究基于石灰巖礦露天深孔臺階爆破作業工況,運用AUTODYN顯式動力學仿真軟件,結合Lagrange-SPH耦合算法,建立了不同裝藥結構的孔身、孔底、孔間溶洞有限元二維模型,并對各模型巖體損傷、孔壁壓力和爆破飛石速度進行了對比分析,并對裝藥結構進行了優化設計。

1 有限元模型

1.1 AUTODYN簡介

AUTODYN[11]是ANSYS子公司Century Dynamic公司研發的顯式有限元分析程序,適用于解決固、液、氣體間相互作用的高度非線性動力學問題。AUTODYN包括有限元算法以及與其適配的運算器和豐富的材料模型、狀態方程,可同時實現多求解器的耦合運算。

1.2 算法簡介

Lagrange算法本身基于網格技術,每個網格單元的頂點隨著材料一起移動,填充材料始終保持在原單元,不會在單元中流動,因此材料分界面較為明顯,可有效描述固體的材料行為。光滑粒子流體動力法（SPH）是一種新型的無網格數值模擬方法,其基本思想是將整個流場的物質離散成一系列具有質量、速度和能量的粒子,每個粒子都具有速度、能量和質量特征,然后通過核函數積分并進行估值,從而求得流場中不同位置、不同時刻的各項動力學量,可有效模擬連續體結構的解離、破碎、脆性斷裂等大變形問題。

1.3 有限元模型的建立

深孔臺階爆破作業中常會出現孔底、孔身和孔間溶洞,如圖1所示。

圖1 溶洞與炮孔相對位置Fig.1 Relative position of karst cave and blast hole

1.3.1 模型幾何參數

設計露天深孔臺階爆破模型,耦合裝藥模型和幾何參數如圖2所示。

圖2 無溶洞計算模型及其幾何參數Fig.2 Geometric parameters of calculation model of karst cave without karst cave

此二維模型整體長28m,高27m,采用Lagrange-SPH耦合算法進行計算,其中炸藥、堵塞沙土和炮孔附近的巖石等大變形區域采用SPH算法,其余巖石部分采用Lagrange算法。設計爆破參數如表1所示。

表1 露天深孔臺階爆破設計參數Table 1 Design parameters of open-pit deep-hole bench blasting

1.3.2 溶洞相對位置及幾何參數

分別設計孔身、孔底和孔間溶洞模型,其幾何參數如圖3所示。

圖3 設計的溶洞與炮孔相對位置（單位:m）Fig.3 The designed relative position of karst cave and blast hole

孔身和孔底溶洞分別采用半徑0.5 m的圓形代替,孔間溶洞采用近似橢圓代替,該近似橢圓寬1.0 m,長4.5 m。

1.3.3 材料模型及參數

（1）炸藥材料模型。采用粉狀乳化炸藥作為主裝藥,選用JWL狀態方程確定爆轟產物壓力:

式中,V為相對體積;E為單位體積炸藥的初始內能;A1、B1、R1、R2、ω 為 JWL 狀態方程參數。 粉狀乳化炸藥的材料參數如表2所示。

表2 粉狀乳化炸藥參數Table 2 Parameters of powdery emulsion explosive

（2）石灰巖材料模型。計算模型中巖石組分為普通石灰巖材料,選用RHT材料模型,該模型可有效模擬材料損傷情況,其參數如表3所示。

表3 石灰巖材料參數Table 3 Material parameters of limestone

采用沙土材料（SAND）進行堵孔。

1.4 二維有限元模型

由于空氣組分對于露天爆破基本無影響,建模過程中忽略空氣。首先建立無溶洞臺階爆破二維有限元計算模型,如圖4所示,網格圖中SPH算域顯示為密集粒子。

圖4 有限元模型及其網格Fig.4 Finite element model and its grid diagram

在Lagrange算域石灰巖邊界設置無反射邊界條件用于模擬無限大巖石區域。在炸藥底端設置一起爆點。圖4（a）中黑色區域為粉狀乳化炸藥,灰色區域為沙土材料,淺灰色區域為石灰巖。

2 模擬結果及分析

2.1 孔身溶洞模型計算分析

對于常見的孔身溶洞,工程技術人員常采用鉆機鉆探出溶洞大致方位,采用PVC管裝藥,防止溶洞漏藥,但易造成溶洞區域爆破效果欠佳,且經濟效益較差,采用尼龍編織袋裝藥法對炸藥進行套袋,并在裝藥至溶洞處填塞沙土,之后繼續裝藥、封堵,實現耦合裝藥。建立無溶洞耦合裝藥、PVC管裝藥和尼龍編織袋裝藥3組模型,編號1～3,模型中忽略PVC管和尼龍袋組分。選取溶洞附近巖體,沿豎直方向依次在孔壁和外自由面上每隔0.5m設置1個高斯點,分別編號1～5、6～10,如圖5所示。

圖5 孔身溶洞不同裝藥結構有限元模型Fig.5 Finite element model of different charge structures in cave with hole body

2.1.1 石灰巖損傷分析

觀察溶洞部分區域的損傷情況,各模型0.04 s時損傷云圖,如圖6所示。

由圖6可以看出,以損傷參數D=1作為損傷閾值,模型1中損傷變量基本達到1左右,石灰巖完全損傷,碎裂狀態較為均勻,未完全損傷區域最大塊度約0.9 m,臨近炮孔處基本完全損傷,自由面附近巖石成塊度平均長度為0.2～0.4 m,經爆生氣體繼續作用、巖塊碰撞可形成理想破碎狀態。模型2中溶洞部分區域有2個明顯大塊,未達到損傷閾值,分別長1.2 m和2 m,附近巖石損傷碎裂效果較差。模型3相較于模型2,巖石損傷效果有所改善。

圖6 0.04 s模型溶洞區域的損傷變量云圖Fig.6 Cloud picture of damage variables in karst cave area in the 0.04 s model

對比分析模型高斯點1～5與塞斯應力峰值,如圖7所示。

圖7 高斯點處米塞斯峰值應力變化曲線Fig.7 Variation curve of Mises peak stress at Gaussian points

由圖7中可以看出,模型1中各高斯點米塞斯應力峰值較為均勻,均在0.2～0.3 GPa之間,模型2中峰值壓力明顯減小,高斯點2、3處米塞斯應力接近0.05 GPa,小于石灰巖抗壓強度（60～140MPa）,模型3中高斯點3處米塞斯應力為0.15 GPa,高于模型2。結合圖5可以看出,溶洞的存在會削弱爆生氣體對于孔壁的壓力,導致溶洞處孔壁損傷破碎效果下降,產生大塊,采用尼龍編織袋裝藥結構可改善溶洞區域破碎效果。

2.1.2 爆破飛石初始速度分析

松動爆破作業中,前排炮孔松動爆出,為后排炮孔創造自由面,便于后續巖體的松動和破碎,因此前排巖體的飛散速度對于爆破效果影響較大。為觀測自由面處巖石初始飛散速度變化趨勢,選取模型1～模型3中高斯點6～10,觀測其X方向速度變化趨勢,如圖8所示。

圖8 模型1～3中高斯點6～10水平方向飛散速度Fig.8 Horizontal dispersion velocity of Gaussian points 6～10 of models 1～3

由圖8中可以看出,在沖擊波和爆生氣體的作用下,自由面處的測點速度突躍增長,模型1中,測點6～10速度約在45～50 m/s,模型2為38～43 m/s,模型3為43～48 m/s。由此可以看出,溶洞區域爆出效果相對較差,采用尼龍編織袋裝藥結構可改善溶洞區域的爆出效果,確保后排巖體爆破質量。

2.2 孔底溶洞模型計算分析

針對孔底溶洞,可考慮采用改進式裝藥方法,采用尼龍編織袋裝藥并將孔底填塞,然后在臺階底部鉆2個水平淺孔,破除根底,改善底部破碎效果。建立PVC管全裝藥結構模型和改進式裝藥模型,編號4～5,如圖9所示,其中模型5臺階底部鉆2 m淺孔,裝藥1 m,堵塞1 m。

圖9 孔底溶洞不同裝藥結構模型Fig.9 Different charge structure models of karst cave at the bottom of hole

觀察孔底溶洞附近巖體損傷情況,如圖10所示。

圖10 模型4～5溶洞區域的損傷云圖Fig.10 Pressure nephogram of karst cave area in models 4～5

由圖10可以看出,模型4中有高約0.5 m的根底殘留,臨近自由面處巖石損傷效果較差,模型5中溶洞附近巖體基本完全損傷,但上部巖體損傷效果較差,可考慮采用底部加強裝藥改善孔底巖石的損傷破碎效果。

2.3 孔間溶洞模型計算分析

對于貫通2孔的孔間溶洞,考慮采用尼龍編織袋裝藥并在溶洞區域進行沙土間隔裝藥,同時在溶洞與自由面之間鉆1個淺孔,采用孔底裝藥結構,減少溶洞區域的大塊。建立模型6、模型7,模型6為普通PVC管裝藥法,在溶洞區域設置1～5號高斯點,如圖11所示。

圖11 貫通型孔間溶洞不同裝藥結構模型Fig.11 Different charge structure models of through-hole karst cave

觀察溶洞區域與自由面間巖體損傷狀況,如圖12所示。

圖12 模型6～7巖體損傷變量云圖Fig.12 Cloud picture of damage variables of rock mass of model 6～7

由圖12可以看出,模型6中溶洞區域與自由面間巖體存在3個長為1 m的大塊,巖體損傷效果一般,而模型7中巖體損傷較為完全、塊度均勻,無明顯大塊。進一步觀察1～5號高斯點米塞斯應力,如圖13所示。

由圖13可知,模型中溶洞區域米塞斯應力均明顯降低,模型6中最低約0.045 GPa,模型 7中為0.07 GPa,模型6中部分區域米塞斯應力未達到石灰巖最低抗壓強度。結合圖12可以看出,采用改進式的裝藥結構可在一定程度上解決溶洞區域大塊問題,同時可以節省炸藥用量,節約爆破成本。

圖13 模型6～7高斯點1～5米塞斯峰值應力變化曲線Fig.13 Mises peak stress variation curves of Guage point 1～5 in model 6～7

3 結 論

基于AUTODYN數值模擬軟件對不同位置溶洞深孔臺階爆破工況進行了數值仿真計算,計算結果表明:

（1）孔身溶洞會削弱爆生氣體對炮孔壁的壓力,傳統PVC管裝藥法易導致巖體破碎效果不佳,大塊率升高。采用改進式的尼龍編織袋裝藥法,在溶洞區域進行沙土填塞,可有效改善巖體損傷破碎效果,增大孔壁壓力,確保前排巖體順利爆出。

（2）孔底溶洞采用底部填塞和臺階底部淺孔爆破相結合的方式,可有效解決根底殘留問題,相較于PVC管全裝藥結構,爆破效果較為良好。

（3）貫通型孔間溶洞采用溶洞段沙土間隔,前排補加炮孔孔底裝藥結構,可有效降低溶洞與自由面間的大塊,提高爆生氣體對孔壁的壓力,改善爆破效果。