大孔径浅孔爆破孔底空气间隔装药技术研究

吴 颂，林大能，郑文富, 唐辉雄

(湖南科技大学 能源与安全工程学院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

现代化的大型水利水电站、核电站、高速公路和铁路等的建设，越来越注重基础的稳定性保护。深孔台阶爆破一次性爆破松动岩石的立方量比较大，对于工期的推进有积极的作用，但是同时也有一些缺点。一方面，大块率比较高，需要进行二次破碎，会影响后续作业的连续进行，使得生产成本增大；另一方面，深孔松动爆破不便于控制基底岩石的结构稳定，达不到工程要求。浅孔台阶爆破虽然灵活且易操作，但是一次爆破开挖量过小，会影响工程的进度，因此也不可取。大孔径浅孔爆破一次爆破开挖量较大，能保证开挖进度；同时在大孔径浅孔爆破中运用孔底空气间隔的装药方式，能降低爆破对底部基岩的损伤。孔底空气间隔技术的使用使得大孔径浅孔爆破在大量保护层开挖工程中的应用具有合理性。

对于孔底空气间隔装药，国内外已经有学者做了大量的实验研究与理论分析，取得了一定的成果，且初步用于生产实践。1940年代，前苏联的Melnikov N V等人[1]最先对孔底空气间隔装药技术进行了研究，分析确定了爆破能量利用最大化的因素；国内的张晶瑶研究了深孔孔底间隔装药技术并应用在生产实践中，取得了显著的经济效果。然而对于大孔径浅孔爆破中孔底空气间隔装药技术的研究，还是一块空白，需要更多的人来进行相关的研究。本文拟通过理论分析和数值模拟方法对大孔径浅孔孔底间隔装药结构进行分析，为优化大孔径浅孔爆破装药结构设计提供理论依据。

1 孔底空气间隔装药技术的机理分析

当采用耦合装药时，埋藏在岩石炮孔中的炸药爆炸之后，产生的爆炸应力波和爆生气体直接作用在与炸药接触的孔壁岩石上，形成依次从内到外以炮孔为中心的粉碎圈和裂隙带，达到破碎岩石的效果。当采用孔底空气间隔装药时，由于空气层的存在，降低了爆炸应力波和高压气体直接作用在孔底和孔壁上的压力峰值大小，延长了爆炸初始应力对岩石的作用时间。同时由于空气柱与孔底岩石之间产生了一个临界面，将使应力波在此发生反射，炸药爆炸产生的能量能够更多的转移作用到孔壁的岩石，从而降低了炸药爆炸对孔底岩石的破坏作用。

K·K·安德列耶夫和 A·Φ·别辽耶夫通过研究得出了空气间隔装药爆破时产生在孔壁岩石上的冲击压力P计算公式如式(1)[2]：

(1)

式中：P—冲击压力，MPa；

Vy— 装药体积，cm3；

Vs—药室体积，cm3；

ρ0—炸药密度，g/cm3；

D1—炸药爆速，m/s；

n—爆炸产物碰撞岩壁后压力增大倍数，取8～11。

张凤元据此指出：当耦合装药与空气隔层装药产生的冲击压力相等时，空气隔层所占药室空间比例可通过下式求出[3]：

(2)

式中：K—空气隔层占药室空间比例；

ρm—岩石密度，g/cm3；

DP—压力波在岩石中的传播速度,m/s。

在轴向耦合装药中，空气隔层的直径与药室直径是相等的，因此，空气隔层与药室的体积的比值只与它们之间的长度比值有关。根据上式，可以推论出空气隔层长度l0与装药长度l1的比值关系式如下：

(3)

式中：l0—空气隔层长度，cm；

l1—装药长度，cm。

2 孔底空气间隔装药实验

孔底空气间隔装药在我国起步比国外要晚，许多专家学者通过研究和努力，取得了优秀的实验研究成果。

北京矿冶研究总院[4]在凡口铅锡矿进行的实验表明，在实验条件下运用空气间隔装药进行爆破，爆破产生的平均块度首先随着轴向不耦合系数的增大而减小，大概会在1.6左右平均块度最小，然后随着轴向不耦合系数的增大，平均块度也增大。由此说明，空气间隔的长度存在一个最优值。空气间隔过小了，不能起到相应的作用，空气间隔过长，炸药承担的作用体积也会相应增大，因此大块率也就会随之提高。南芬露天铁矿从2000年末开始使用底部空气间隔装药技术，有效控制岩石的破碎块度，降低了炸药单耗，提高了铲装效率，当年创造经济效益145万元；歪头山铁矿从2002年开始使用空气间隔装药技术，降低了采矿的综合成本，截至2003年4月，创造经济效益100余万元[5]。卢文波、朱红兵等通过理论分析和试验研究发现空气间隔层置于上部比较合理；刘振东等从能量角度出发认为空气间隔层置于炮孔底部可以更好地利用爆破冲击波的能量、避免和减少留根底[6]。也有其他学者认为空气间隔层置于炮孔底部可用于保护底板。在许多专家学者的研究和验证下，空气间隔装药比连续装药更加具有优势，能够降低大块率，减小地震效应，减少根底，提升爆破的经济效益，同时能够对地下保护层的结构稳定性起到保护作用。

3 孔底空气间隔装药爆破数值模拟

爆炸动力学是一个十分繁杂的过程，ANSYS/LS-DYNA显示动力有限元分析软件可以用来处理和分析此类力学问题[7]。ANSYS用来建立模型、划分网格、定义材料，然后生成K文件。这些前处理程序完成后，生成的K文件导入到LS-DYNA进行求解。由于ANSYS在处理爆破问题时具有不足的地方，材料库中也没有能够直接用的炸药模型和求解方程，需要在用LS-DYNA求解之前将K文件进行修改。在用ANSYS/LS-DYNA建模和求解时，单位取为cm-ms-g。

由于此类爆破模拟具有对称性，所以在利用ANSYS建立大孔径浅孔爆破模型时，只需建立四分之一模型即可。如图1所示，模型的长和宽均取300 cm，高550 cm。划分炸药孔时，底部留下100 cm深的保护层，孔径为10 cm，孔深450 cm，孔底空气间隔层长75 cm，炸药柱长度为175 cm，上部剩下200 cm作为炮孔堵塞。炮孔连续耦合装药时，模型如图2所示，堵塞长度变为275 cm。

图1 孔底空气间隔装药模型

图2 炮孔连续耦合装药模型

由于建立的模型具有规则的形状，采用映射网格划分单元能够提升数值模拟和计算的精度，所以本文中采用映射网格。网格划分之后，对两个侧面和地面进行无反射边界条件设定，对OXZ对称面和OYZ对称面施加法向约束，只留下模型上表面作为自由面。

本文取的岩石材料参数为：岩石密度为2.7 g/cm3，弹性模量选取10 GPa，泊松比为0.2。炸药选择2号岩石乳化炸药，密度取1.0 g/cm3，弹性模量为1.5 GPa，泊松比选用0.3。在ANSYS-LS-DYNA数值模拟中，对于爆破模拟，采用高能炸药模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，由于状态方程JWL描述炸药爆炸时的压力特性十分精确，且具有明显的物理意义，从而得到广泛应用。V为体积变化，E0，R1，R2，ω，B和A为材料常数，状态方程如下式(4)[8]：

(4)

空气材料选用的是MAT_NULL，空气密度为0.0012 g/cm3，控制方程一般选用可以用来模拟气体动力学行为的线性方程，如下式(5)[9]：

P=C1+C2μ+C3μ2+(C4+C5μ+C6μ2)E

(5)

上式中，C1～C6均为常数，μ为体积比，E为内能与初始体积之比。

在炮孔轴向耦合装药和孔底空气间隔装药模型中，均取距孔底正下方50 cm处的单元点A和距离孔底向下X、Y、Z正方向均为50 cm的单元点B作为记录点，记录在两种装药结构下炸药爆炸引起的质点在Z方向振动速度随时间的变化。利用LS-PREPOST后处理器读取两种装药结构的计算结果见图3、图4。

通过对比图3和图4，我们可以知道，大孔径浅孔爆破时，在孔底空气间隔装药的条件下，炸药爆炸引起的距离孔底一定深度的质点振动要比炮孔轴向耦合装药结构炸药爆炸引起相同位置质点振动速度峰值小。

在两种装药结构情况下，选取相同坐标的A、B单元，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件记录A、B单元所受有效应力随时间的变化，并用曲线表示，见图5、图6。

从图5、图6可知，相同坐标的两底部单元在孔底空气间隔装药结构的情况下所受到的有效应力比炮孔耦合装药情况下要小得多，对孔底底部岩石的破坏作用小，能够起到保护作用，保持岩体的结构完整性和稳定性。

图3 孔底空气间隔装药底部质点振动速度随时间变化曲线

图4 耦合装药底部质点振动速度随时间变化曲线

图5 空气间隔装药结构底部单元有效应力随时间变化曲线

图6 耦合装药结构底部单元有效应力随时间变化曲线

通过以上分析，可以得出结论：孔底空气间隔装药结构能够在一定程度上能够降低爆破引起的振动，减小爆破震动的危害，降低炮孔底部岩石所受到的有效应力，对于开挖层以下的地基保护层的结构稳定性起到保护作用。

4 结 论

本文通过理论分析和运用ANSYS/LS -DYNA软件进行孔底间隔装药和炮孔轴向耦合装药数值模拟对比，得出了如下的结论：

(1)在许多专家学者理论研究的基础上，得出了空气间隔装药结构中空气长度与炸药长度之比的相关公式；

(2)在大量已经完成的空气间隔装药实验的基础上，指出了大孔径浅孔爆破中运用孔底空气间隔装药的优势与经济性；

(3)运用ANSYS/LS-DYNA软件进行孔底空气间隔装药与炮孔轴向耦合装药数值模拟对比实验，结果证明，孔底空气间隔装药比耦合装药在减小孔底底部岩石应力波峰值速度、降低爆破震动以及减小有效应力等方面具有优势，在大孔径浅孔爆破的应用中，能够起到保护底层岩土完整性的作用。

参考文献：

[1]陈先锋.中深孔爆破孔底空腔装药机理研究[D].武汉：武汉理工大学,2004.

[2]张志呈.装药结构影响爆破效果的试验分析[J].爆破,1991(2):1-4.

[3]张凤元.集中药包空气隔层爆破技术的应用[J].铁道建筑技术,1997(2):1-2.

[4]张志呈,等.炮孔底部空气间隔装药结构爆破理论与模型试验[J]露天采矿技术,2011(1).

[5]魏 兴.空气间隔装药在中深孔台阶爆破中的应用[J].采矿技术,2013(2).

[6]朱红兵,等.空气间隔装药爆破机理及应用研究[D].武汉：武汉大学,2006.

[7]许名标,等.边坡爆破振动测试及响应规律ANSYS时程分析[J].岩石力学与工程学报,2012(5).

[8]张袁娟,等.缓冲爆破减震效应研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):967-973.

[9]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京:科学出版社,2005．.