爆炸荷载作用下小口径炮孔堵塞数值模拟_张艳军.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 011爆炸荷载作用下小口径炮孔堵塞数值模拟*张艳军a，雷美荣b，张东让a，勾靖国a(山西大同大学 a 建筑与测绘工程学院;b 机电工程学院，大同 037003)摘要:针对煤矿井下炮孔堵塞密封性差甚至不堵塞所导致爆破效果不佳的问题，在分析破岩机理和堵塞机理的基础上，采用数值模拟和实验研究的方法对爆炸荷载作用下小口径炮孔堵塞进行了研究，运用了有限元分析软件建立了 3 m 3 m 的二维混凝土断面模型，炮孔直径为0 04 m，炮孔深度为1 m，采用柱形连续装药，卷装乳化炸药装药重量为 0 3 kg，堵塞材料为砂土。炸药、混凝土体、砂土均采用 Lagrange 网格建模，空气采用 Euler 网格建模，使用 ALE 算法分别模拟出爆炸荷载作用下单孔堵塞长度分别为 0、200 mm、400 mm的爆炸应力云图和损伤云图。结果显示:在爆炸的大部分时间里，有堵塞炮孔周边的最大应力明显高于无堵塞情形。有堵塞炮孔周边损伤程度与无堵塞情形相比，更严重，破碎块体更小。该数值模拟方法可为井下钻孔爆破分析提供一种借鉴。在对井下常用的粘土+水炮泥结构利弊分析基础上，设计研发了胀管式注水炮孔堵塞结构，现场应用效果良好。胀管式注水结构可以替代粘土+水炮泥结构应用于煤矿井下爆破中。关键词:小口径;炮孔;爆破;堵塞中图分类号:TD235 2文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0075 05收稿日期:2023 01 13作者简介:张艳军(1982 )，男，汉族，山西朔州人，硕士研究生、副教授、硕士生导师，主要从事工程力学，工程爆破方面的教学研究工作，(E-mail)zyjhappy2000163 com。基金项目:山西省高等学校科技创新项目(2020L0492);山西省科学技术发展计划(工业)项目(20140321003-05);教育部产学研协同育人项目(202102415008);大同市重点工业研发计划项目(2018027)Numerical Simulation of Small Hole Stemming under Blast LoadZHANG Yan-juna，LEI Mei-rongb，ZHANG Dong-ranga，GOU Jing-guoa(a Building and Surveying and Mapping Engineering College;b Mechanical andElectrical Engineering College，Shanxi Datong University，Datong 037003，China)Abstract:Aiming at the problem that the blasting effect is not good due to poor or even no stemming of blastholes in underground coal mine，numerical simulation was used to analyze the mechanism of rock breaking and stem-ming mechanism A 3 m 3 m two-dimensional concrete model with blast hole diameter of 0 04 m and hole depth of1m was established using the finite element analysis software In addition，the continuous emulsion explosive chargewas set as 0 3 kg，and the stemming material was set as sand For the explosive simulation，concrete and sand weremodeled by Lagrange grid，and the air was modeled by Euler grid ALE algorithm was used to simulate the explosionstress nephogram and damage cloud maps with a single hole stemming length of 0 mm，200 mm and 400 mm respec-tively under the blast load The results show that the maximum stress around the hole with stemming is significantlyhigher than that without stemming Meanwhile，the damage degree around the hole with stemming is more severe withsmaller fragments than that without stemming On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of clay andwater stemming structures commonly used in underground mines，a stemming structure by expansion-pipe water injec-tion was designed，which can replace the clay and water stemming structure in underground coal mine blasting as agood field applicationKey words:small diameter;hole;blasting;stemming影响钻孔爆破效果的一个重要因素是堵塞1，2，目前，煤矿小口径炮孔爆破普遍采用粘土+水炮泥的方法堵塞炮孔，在操作时用炮棍捅捣炮泥的力度掌握难度大，易造成封堵不实而影响爆破效果;或者造成捅捣太实引起炸药性能的改变，从而影响爆破效果。有时工人师傅为了方便，干脆不堵塞，并采用加大炸药用量的方法，这样不仅会造成炸药浪费成本增加，还会造成破岩断面成型较差，大块率高等现象3-5。很多学者对炮孔堵塞做了大量的研究，李延龙等研究了单炮爆破水炮泥堵塞机理及在孔内的运动规律6。朱宽等利用 ANSYS/LSDYNA建立了连续堵塞和空气间隔堵塞结构模型，通过孔壁应力峰值说明该结构对改善该位置岩石爆破效果有一定促进作用，通过试验证明了该堵塞结构改善爆破效果的可行性7。欧阳剑等通过实验的方法研究了在有空孔情况下，装药孔填塞长度对于深孔直眼掏槽爆破效果影响8。王琛、周志强等理论分析了爆破中炮孔填塞作用及研究进展9，10。任少峰等采用数值模拟的方法研究了炮孔的最佳堵塞长度11。以上文献对堵塞材料、堵塞长度等方面的研究较为深入，对炮孔损伤度及堵塞结构的研究相对较少。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究了炮孔堵塞，使用 ALE 算法模拟了不同堵塞长度下的爆炸应力云图、爆炸损伤云图，研发了胀管式注水炮孔堵塞结构，为炮孔堵塞分析与应用提供参考。1破岩和堵塞机理为了提高爆破质量，一般要堵塞炮孔12-14。如果不堵塞，爆炸产生的应力波能量不会被削弱，爆生气体会出现冲孔现象，造成炸药浪费，爆炸质量也随之受到影响。在炸药爆炸过程中，爆炸产生的气体会迅速充满孔腔，堵塞物随即被压缩直至刚性，然后爆生气体推动刚性堵塞物整体运动直至冲出炮孔15。在此过程中，如果堵塞恰当，爆炸产生的冲击波导致岩石产生裂纹，与此同时爆生气体会加速裂纹扩展，裂纹扩展至自由面时，堵塞物正好冲出炮孔，爆能就能被充分利用，爆破效果较好。可见堵塞对爆破效果有重要的影响。2数值模拟分析2 1参数设置采用 AUTODYN 建立模型为3 m 3 m 3 m 的三维混凝土断面，为了节约时间，降低计算量，将三维模型二维化处理，分别填充炸药、堵塞物，空气，如图 1 所示。炮孔直径 0 04 m，深度 1 m。采用柱形连续装药，卷装乳化炸药直径 32 mm，长度 355 mm，重量 0 3 kg。堵 塞 物 采 用 砂 土 材 料，密 度 是1 674 g/cm3，堵 塞 物 直 径 为 40 mm，长 度 为 0、200 mm 和 400 mm。网格划分如图 2 所示。图 1爆炸模型图Fig 1Blasting model图 2网格划分图Fig 2Grid generation diagram炸药使用乳化炸药，炸药参数如表 1 所示，混凝土材料参数如表 2 所示，空气参数如表 3 所示。表 1乳化炸药参数Table 1Parameters of emulsion explosive炸药密度/(gcm3)炸药爆速 D/(ms1)爆压 P/GPa表征炸药特性参数 A/GPa表征炸药特性参数 B/GPa表征炸药特性参数 1表征炸药特性参数 2表征炸药特性参数 单位体积内能 E/GPa1 0341602749 461 893 911 120 335 1567爆破2023 年 6 月表 2CONC-35MPA 材料参数Table 2CONC-35MPA material parameter密度/(gcm3)抗压强度/MPa切变模量/GPa抗拉强度(ft/fc)抗剪强度(fs/fc)2 3143516 70 10 18表 3空气参数Table 3Air parameters空气密度/(gcm3)材料常数 空气初始内能 e/(KJkg1)1 2251 42 068 105数值计算采用 AUTODYN 材料库中的 CONC-35MPA 模型作为混凝土材料，材料本构模型选择HT concrect 模型和 HT concrect 失效模型。由iedel 等提出的 HT 模型能描述混凝土从弹性到失效的整个过程16，被广泛地用于冲击荷载下混凝土的损伤断裂问题研究17。炸药、混凝土体、堵塞砂土均采用 Lagrange 网格建模，空气采用 Euler 网格建模，使用 ALE 算法。ALE 算法可以克服固体大变形数值计算的难题。2 2模拟结果堵塞长度为 200 mm、400 mm 和无堵塞的爆破等效应力云图，分别如图 3、图 4、图 5 所示。从图 3和图 4 可以看出，应力波以水滴状向外传播，柱形装药中心区域出现最大应力，t=0 04 ms 时，应力波以近似水滴形状向外传播，t=0 12 ms 时，应力波开始在堵塞物中传播，应力波以波的形式向自由面传播，从图 5 可以看出，t=0 8 ms 时，应力波到达临空面并开始反射，t=1 08 ms 时，应力波反射并叠加，t=2 ms 时，应力波基本释放。从表 4 可以看出 t=0 04 ms 时，有堵塞和无堵塞的炮孔周边的最大应力一样，但 t=0 12 ms，t=0 8 ms，t=1 08 ms 时有堵塞比无堵塞的炮孔周边的最大应力大，2 ms 时无堵塞的最大应力比有堵塞的最大应力大，在爆炸的大部分时间里，有堵塞的最大应力明显高于无堵塞的最大应力。堵塞长度分别为 200 mm、400 mm 和无堵塞的爆破损伤云图如图 6 所示，从图 6 可以看出，堵塞长度为 200 mm 和 400 mm 的炮孔周围的损伤程度比无堵塞情况下的损伤程度严重，而且破碎块体较小，爆破效果好。图 3堵塞长度为 200 mm 时不同时刻的等效应力云图Fig 3Equivalent stress nephogram at different moments with a stemming length of 200 m图 4堵塞长度为 400 mm 时不同时刻的等效应力云图Fig 4Equivalent stress nephogram at different moments with a stemming length of 400 m图 5堵塞长度为 0 时不同时刻的等效应力云图Fig 5Equivalent stress nephogram at different moments with a stemming length of 077第 40 卷第 2 期张艳军，雷美荣，张东让，等爆炸荷载作用下小口径炮孔堵塞数值模拟图 6不同堵塞长度时混凝土块的损伤云图Fig 6Damage cloud of concrete blocks with different stemming lengths表 4不同时刻应力峰值对比Table 4Comparison of stress peaks at different times堵塞长度/mm0 04 ms 0 12 ms不同时刻的应力峰值/MPa0 8 ms1 08 ms2 ms400503 3226 078 9875 5962 89200503 3226 097 2980 2375 700503 3155 361 4257 5476 583堵塞结构设计目前煤矿常使用的堵塞结构是粘土+水炮泥堵塞结构。粘土加水炮泥结构如图 7 所示，这种堵塞结构的优点在于:堵塞操作简单;堵塞成本较低等。其弊端为:封堵质量差，炮眼利用率低，产生粉尘浓度高，炸药用量大。针对以上问题，研制出一种胀管式注水炮孔堵塞结构18，该结构实物图和结构图分别如图 8 和图 9 所示:该结构由胀裂筒和胀塞组成，爆生气体膨胀使胀塞相对于胀裂筒移动，胀裂筒在胀塞的推动下膨胀裂开，达到与炮孔壁增阻自锁的目的，胀塞相对于炮孔底部一端采用圆头设计，可以对爆炸产生的应力波起到反射作用，提高对岩石的破碎效果。在大同挖金湾矿进行现场爆破试验，应用效果良好，该结构相对于粘土加水炮泥，可以提高爆破质量，减少爆破成本。图 7粘土+水炮泥结构实物图Fig 7Clay+water blasthole stemming structure图 8胀管式注水炮孔堵塞结构实物图Fig 8The expansion pipe type waterinjection stemming structure图 9胀管式注水炮眼堵塞结构图(单位:mm)Fig 9The expansion pipe type water injectionblasthole stemming structure(unit:mm)4结论数值分析结果表明:在爆炸的大部分时间里，有堵塞炮孔周边的最大应力明显高于无堵塞情形。有堵塞炮孔周边损伤程度与无堵塞情形相比，更严重。该数值模拟方法可为井下钻孔爆破分析提供一种借鉴。胀管式注水结构可以替代粘土+水炮泥结构应用于煤矿井下爆破中。参考文献(eferences)1 付军，郝亚飞，曹进军，等 大孔径爆破堵塞技术优化研究与应用 J 爆破，2019，36(4):150-154 1FU Jun，HAO Ya-fei，CAO Jin-jun，et al esearch andapplication of large aperture blasting blocking technologyoptimization J Blasting，2019，36(4):150-154(inChinese)2 李国平，杨伟，王华，等 露天台阶爆破炮孔路料堵塞工 业 试 验 研 究J 矿 业 研 究 与 开 发，2016，36(5):42-45 2LI Guo-ping，YANG Wei，WANG Hua，et al Industrialexperiment study on paving material for stemming blastinghole in open-pit bench blasting J Mining esearch 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