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浅孔爆破应力场的水药组合结构效应

引言
随着社会的发展,人们对环保、节能的意识越来越强,爆破技术也正朝着环保、节能的方向发展。近年来,宗琦[1]等讨论了炮孔水耦合装药爆破时,耦合水中爆炸冲击波的形成和传播,求算了冲击波的初始参数和孔壁处冲击波参数,用弹性理论和波动理论推导出了正入射情况下孔壁岩面上的冲击压力,并与同样装药和岩石条件下空气不耦合装药爆破时的孔壁压力进行了比较,证明了炮孔水耦合装药比空气不耦合装药更能提高爆炸能量利用率,增强破岩能力;龚玖等探究不耦合装药下不同介质对爆破块度的影响,从理论上对空气和水作为耦合介质时的爆破块度大小进行分析比较;吴文根等通过在独头巷道掘进中水介质控制爆破的试验应用,表明了采用该法不仅能有效降低爆破后的粉尘浓度,而且能提高爆破效果,改善通风环境,并为工程施工创造良好的条件;蔡永乐等研究了水压爆破爆炸应力波在煤体中的传播,根据损伤破坏区域、裂纹形态等爆破效果,研究了水压爆破破煤机理;颜事龙等根据爆轰动力学和弹性波理论,分析推算出水耦合装药爆破炮孔周围岩石中粉碎区和裂隙区半径,并用工程计算实例和ANSYS/LS-DANA数值模拟方法分析了装药不耦合系数对岩石破坏范围的影响,提出了炮孔水耦合炸药爆破在岩石中形成粉碎区时不耦合系数的计算方法;张亚宾等采用LS-DYNA有限元模拟方法建立了水压爆破模拟模型,并对水压爆破进行了数值模拟,提出了水压爆破壁体受首次冲击波、底板反射压缩波、对面壁体反射压缩波和气泡脉冲等4种荷载作用的观点,为水压爆破准静压作用的原理提供了依据。
LS-DYNA作为通用显式动力分析程序,能够模拟各种复杂问题,特别适合求解二维、三维非线性结构的爆炸和非线性动力冲击问题,同时可以求解流固耦合问题。本文将用此软件对水药组合和无水介质间隔装药爆破进行建模分析,得出水药组合和无水介质间隔装药爆破的应力场。
1 计算模型
1.1 计算分析模型
分析模型全部采用SOLID164实体单元创建,采用Lagrange网格划分,采用ALE方法进行单元计算。计算模型从炸药中部起爆,为模拟炸药在无限介质中的爆轰状况,假定岩石为对称无限均质岩体。计算模型采用LS-DYNA Solver进行计算,使用LS-PREPOST对结果文件D3plot进行数据处理和分析。
本文共建立2种不同的水介质间隔装药结构和1种无水介质装药结构。分别是无水介质装药;水药组合装药;水药水组合装药。基于隧道掘进工程,设计炮孔直径为40 mm,孔深2 m,装药长度1.2 m,堵塞长度0.8 m,上部水介质长0.2 m,两端水介质长度均为0.1 m。为缩短计算时间,鉴于岩体模型的对称性,计算模型均只建为正常模型的四分之一。模型及尺寸如图1所示。

1.2 材料模型及参数
岩石采用ANSYS/LS-DYNA提供的弹塑性硬化材料模型(MAT_PLASTIC_KINE MATIC),该模型考虑了岩石的弹塑性性质,能够描述材料的强化效应,并带有失效应变。塑性随动强化模型建立在Cowper-Symonds关系式的基础上,其表达式为:

式中,σ0为初始屈服强度,Pa;C、p为与材料性质相关的常数;β为可调参数,当β=0即为塑性随动强化模型,当β=1即为等向强化模型;εpeff为有效塑性应变;E为材料的弹性模量,Pa;Et为材料切线模量,Pa。具体参数如表1所示。

炸药选用2#岩石乳化炸药,采用ANSYS/LS-DYNA提供的高能炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN以及爆生气体压力-体积关系状态方程JWL。JWL状态方程表达如下:

式中,P为爆轰压力;V为相对体积;E为单位体积内能;ω、A、B、R1、R2为材料常数。具体参数见表2。
水采用MAT_NULL材料进行模拟,使用LINEAR_POLYNOMIAL状态方程进行描述,线性多项式状态方程为:
式中,P为爆轰压力;E为单位体积内能。
炮泥一般为粘土,选用土壤和泡沫模型MAT_SOIL_AND_FOAM来表示。炮泥计算参数:密度ρ=1 800 kg/m3、剪切模量G=0.02 GPa、体积模量B=0.035 GPa、A0=0.161 GPa、EPS2=0.05、EPS3=0.09、EPS4=0.11、P2=34 GPa、P3=45 GPa、P4=66GPa。其中A0为塑性屈服函数的屈服函数常数;EPS2、EPS3、EPS4为体积应变值;P2、P3、P4为与体积应变值相对应的压力。
2 计算结果及分析
2.1 爆炸应力云图
为研究和分析炮孔中部起爆条件下不同装药结构的爆炸应力场,提取各模型从起爆到同一时间的应力云图如图2所示。
由图2可知,药柱中部起爆后,爆轰波沿着药柱同时向下和向上传播,同时伴随应力波以球面形式向外扩展。在同一时间,无水介质装药结构的应力传播速度比水药组合装药和水药水组合装药的应力传播速度更快,水药组合装药比水药水组合装药的应力传播速度更快。水药水组合装药的爆炸应力场范围较无水介质装药和水药组合装药的爆炸应力场范围更小,说明水药水组合装药对围岩的损伤更小。无水介质装药和水药组合装药在炮孔底部均有高应力区,而水药水组合装药却不存在高应力区。表明水介质的介入导致了能量的重新分配,有效调整了孔底的能量分布,减小了岩体中的爆炸初始应力峰值。
2.2 孔底岩石应力曲线及分析
水药组合装药运用水介质的不可压缩性调节孔内炸药能量分布,增长作用时间,降低初始应力峰值,有效减少孔底岩石损伤。为研究水介质对于孔底岩石应力分布的影响,选取孔底某一相同位置,由于炸药从中部爆炸,故无水介质装药和上部水间隔装药的爆炸应力曲线相同,见图3。