不同围压下的椭圆双极线性聚能管聚能爆破数值模拟.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:黄昌满()男湖北黄冈人工程师研究方向为公路工程(:.)通讯作者:吕加贺()男山东泰安人博士教授研究方向为岩土工程中的数值计算方法(:.)基金项目:国家自然科学基金()不同围压下的椭圆双极线性聚能管聚能爆破数值模拟黄昌满 王 杰 吕加贺(.中交上海航道局有限公司 上海 .中国地质大学(武汉)工程学院 湖北 武汉)摘 要:聚能爆破在爆破工程领域应用越来越广泛而隧道开挖及矿山开采过程中常遇到岩体处于复杂地应力场的情况给爆破作业带来干扰 针对这一特点基于/软件建立椭圆双极性聚能装药结构数值模型通过施加水平向和竖直向的围压模拟岩体所处的复杂应力场首先分析无围压加载下聚能爆破的裂纹扩展规律然后计算单向围压、等值双向围压、不等值双向围压对聚能爆破裂纹扩展以及对爆破应力波传播的影响 结果表明:椭圆双极性聚能装药结构将爆破后的能量主要集中于聚能方向在聚能方向产生主裂纹抑制其他方向裂纹的扩展不同围压会对聚能方向的主裂纹产生较明显的抑制作用对粉碎区和其他方向的微小裂纹影响较小围压几乎不会对爆破应力波的传播产生影响关键词:聚能爆破 数值模拟 围压 裂纹扩展中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):./.:岩石爆破在隧道及矿业工程领域应用广泛能够有效提高开挖施工效率 炸药在岩体中爆炸 土木工程与管理学报 年瞬间产生极其强大的冲击波和应力波作用于周围岩体使其被挤压和拉伸从而产生压碎区和裂隙区 普通爆破通过在炮孔中直接装入乳化炸药进行炸药爆炸后对炮孔周围造成均等的破坏这种爆破模式常常造成超欠挖问题和围岩损伤问题延缓了施工进度甚至给后续结构的安全运营带来隐患 为了解决这些问题经过大量的工程实践出现了一种岩石定向断裂技术 聚能爆破 聚能爆破是一种通过改变炸药药包的装药结构使炸药爆炸后产生的能量集中于某一特定方向的爆破方法 这种爆破方法让岩石在聚能方向产生较长裂纹并能抑制非聚能方向裂纹的扩展从而达到定向断裂的目的 杨仁树等对切缝药包爆炸波与爆生气体的传播机制进行了研究 何满潮等提出了双向聚能拉伸爆破新技术该技术在实践中的应用收到了良好的使用效果 秦健飞等采用 材料制作了一种新型椭圆双极性聚能药包结构形式 李必红通过理论分析、数值模拟、实验研究等方式对椭圆双极线性聚能药柱开展了全面研究 吴波等对椭圆双极线性聚能装药结构参数进行了优化设计随着资源需求的不断增加采矿业进入深层开采时代开采深度超千米一些在高海拔地区修建的隧道埋深也超过上百米 在这些特殊环境下岩石通常处于高地应力状态爆破破岩时岩石所处的高地应力环境会对爆破效果产生影响 李华超对围压应力作用下的三角形掏槽爆破破岩过程进行了数值模拟研究 汪海旭对有无围压加载下的岩石爆炸过程与应力波传播规律进行了模型试验 郭双等对地应力条件下的岩石爆破破岩特征与机理进行了 数值模拟研究尽管众多学者分别对聚能爆破及地应力影响下的普通岩石爆破做了众多研究但却鲜有对应力存在情况下聚能爆破效果的探索 因此本文基于椭圆双极性聚能药包控制爆破技术利用/软件建立数值模型研究不同地应力条件下椭圆双极性聚能药包爆破后围岩的动力响应及裂纹扩展规律以期为高地应力条件下的聚能控制爆破施工提供指导 模型建立及参数选择.数值计算几何模型隧道常用炮孔直径为 本文在模拟计算时采用 的炮孔直径炮孔建立在模型正中心并采用椭圆双极性聚能装药形式取聚能管长短轴之比.聚能穴夹角为 以充分利用炸药爆炸时产生的能量聚能药包结构如图 所示 通过施加水平 向和竖直 向的均布压力来模拟岩体所受的复杂地应力场 由于岩石所处状态相当于无限域而数值计算模型只是无限域中的一部分为了减少计算模型边界上反射波对炮孔附近裂纹扩展的影响模型尺寸取 选用 六面体单元类型采用流固耦合算法 同时为节省计算资源建立/模型并沿炮孔轴向只建立单层网格完整几何模型如图 所示26218?70?PVC?R=21?1.5图 椭圆双极性聚能药包模型/40002000?R=21PVC?yx图 数值计算几何模型/.材料参数及加载炸药爆破瞬间对炮孔壁产生强烈的冲击作用使岩体受挤压而产生屈服破坏故模型中岩体材料选用 中的第 号材料模型(双线性随动硬化模型)该材料模型能够模拟材料的大变形、高应变率问 第 期黄昌满等:不同围压下的椭圆双极线性聚能管聚能爆破数值模拟题 在计算时为岩体材料添加 关键字该关键字可以在单元的应力或应变达到破坏极限时删除单元从而达到模拟爆破后裂纹扩展的效果岩体详细材料参数如表 所示表 岩体材料参数参数密度/弹性模量/泊松比屈服强度/切线模量/抗压强度/数值.对于空气选用 中的第 号空气材料模型和多项式状态方程 模拟具体参数如表 所示表 空气材料参数参数密度/弹性模量/多项式系数 多项式系数 多项式系数 相对体积数值.本文采用的 聚能管是聚能爆破中最常用的具有成本低、聚能效果好等特点 材料对温度较敏感会在爆炸产生的高温下气化但由于在 材料气化前炮孔壁已经产生裂纹故在计算时不考虑温度的影响 考虑到 材料在整个计算过程中变形较大选用 中的第 号材料模型 来模拟并采用与应变率有关的参数来表示材料某一点的屈服应力:()/()()式中:为材料的屈服应力 为 应变率参数为材料的初始应力为材料的有效塑性应变 为硬化参数为材料的塑性硬化模量 聚能管具体材料参数如表 所示表 聚能管材料参数参数密度/弹性模量/泊松比切线模量/数值.对于炸药材料模型选用 中直接模拟高能炸药爆炸的第 号材料模型并采用 状态方程描述炸药爆炸后压力与比容的关系:()()()()式中:为某时刻的压力 为材料参数由实验获得 为相对体积为初始比内能炸药的具体参数如表 所示本文在计算时通过对模型分别施加水平向压力 和竖直向压力 来模拟岩体所处的复杂应力场并设置不同的压力加载情况具体如表 所示表 炸药材料参数参数密度/轰爆速度/参数/参数/参数 参数 参数 弹性模量/相对体积爆压/数值.表 数值模型围压加载情况围压单向围压等值双向围压不等值双向围压加载值 数值模拟计算与结果分析.无围压情况下裂纹扩展分析计算模型在无围压条件下各典型时刻裂纹扩展情况如图 所示 由图 可以看出椭圆双极性聚能药包产生了明显的聚能效应在计算到(图)左右时聚能药包产生的聚能射流以高速冲击炮孔壁使聚能方向产生了明显压碎槽并(a)7s?(b)20s?(c)90s?(d)400s?图 无围压情况下裂纹扩展过程随着射流的发展不断增大(图)在爆炸应力波的持续作用下炮孔壁周围的岩石不断被压碎形成炮孔爆破后的压碎区(图)并在压碎区附 土木工程与管理学报 年近产生许多微小裂纹 压碎区形成后应力波的作用开始减小转而由爆炸产生的爆生气体开始起控制作用爆生气体进入已生成裂隙产生张拉作用使裂纹不断扩展 由于椭圆双极性聚能装药结构使得聚能方向的压力大大增强而抑制了非聚能方向的压力故模型最终的裂纹形态为:炮孔周围有较大粉碎区粉碎区边缘有较多随机微小裂纹并在聚能方向产生延伸较长的主裂纹(图).单向围压对聚能爆破裂纹形态影响椭圆双极性聚能装药结构在各级单项围压下的最终裂纹形态如图 所示 由图可以看出非聚能方向(竖直向)的围压 对聚能方向(水平向)的裂纹有较大的影响随着非聚能方向围压的增大聚能爆破后的裂纹长度不断减小(图 所示)最多减小了.左右 同时从最终裂纹形态可以看出围压对粉碎区的影响较小粉碎区半径几乎没有变化只是粉碎区形状由近似圆形逐渐趋于方形(a)0 MPa?(b)10 MPa?(c)20 MPa?(d)30 MPa?31.8426.1326.0523.58图 单向围压下模型最终裂纹形态/05101520253035?/cm?py/MPa32302826242234图 单向围压下聚能方向裂纹变化.等值双向围压对聚能爆破裂纹形态影响椭圆双极性聚能装药结构在等值双向围压加载下的最终裂纹形态如图 所示 随着水平向和竖直向围压的等值增大聚能方向的裂纹长度明显减小说明等值双向围压对聚能爆破后的裂纹扩展有明显的控制作用 其他方向本身受聚能装药结构的控制只有较细、较短裂纹产生再加之双向围压的抑制与无围压状态下的裂纹形态相比微小裂纹也明显减少(a)00 MPa?-(b)1010 MPa?-(c)2020 MPa?-(d)3030 MPa?-31.8428.1625.4423.53图 等值双向围压下模型最终裂纹形态/等值双向围压加载下椭圆双极性聚能装药结构聚能方向裂纹长度随围压大小的变化如图 所示随着双向围压的持续增大聚能方向裂纹长度线性减小最大减小了.其变化规律与单向围压加载情况一致?/cm05101520253035?p/MPa34323028262422图 等值双向围压下聚能方向裂纹变化.不等值双向围压对聚能爆破裂纹形态影响椭圆双极性聚能装药结构在不等值双向围压下的最终裂纹形态如图 所示 在竖直向围压保持 不变的情况下随着水平向围压不断增大聚能方向的裂纹长度先增大后减小并没有表现出随水平向围压的增大裂纹长度单调减小的规律这与文献得到的结果一致:某一方向的围压主要控制近似垂直于该方向裂纹的扩展而对其他方向裂纹没有明显的控制作用.围压对聚能爆破应力波传播的影响以聚能方向距炮孔壁 (约 倍孔径)处的单元为参照分析不同围压加载下对爆炸应 第 期黄昌满等:不同围压下的椭圆双极线性聚能管聚能爆破数值模拟26.1328.1627.3024.87(a)100 MPa?-(b)1010 MPa?-(c)1020 MPa?-(d)1030 MPa?-图 不等值双向围压下模型最终裂纹形态/力波传播的影响 分别选取 (不加载围压)(等值双向围压)和 (不等值双向围压)种计算条件并绘制参照单元的压力时程曲线如图 所示 可以看出围压加载后仅让该单元拥有一定的初始应力并没有影响应力波到达该单元的时间说明围压加载不影响应力波的传播速度050100150200250300350?/MPa?/s?2520151050510-?0 MPa2020 MPa1020 MPa-?图 参照单元压力 时间曲线 结 论本文结论如下:()通过对椭圆双极性聚能装药结构裂纹扩展规律的分析得出聚能装药结构能将爆炸能量有效集中于聚能方向使聚能方向产生延伸较长的主裂纹而抑制其他方向裂纹的扩展()通过对各级单向围压加载、等值双向围压加载以及不等值双向围压加载的椭圆双极性聚能爆破数值模拟得出在聚能爆破情况下围压加载主要对聚能方向的主裂纹产生影响并随着围压的增大对裂纹扩展有抑制作用对粉碎区以及其他方向的微小裂纹影响较小()通过比较围压分别为 种加载条件下参照单元的压力时程曲线得出不同的围压加载条件对爆破应力波的传播影响很小参考文献 高金石 张继春.爆破破岩机理动力分析.金属矿山():.王汪洋.隧道聚能水压控制爆破岩机理与参数优化研究.南宁:广西大学.杨仁树 左进京 杨国梁.切缝药包定向控制爆破的试验研究.振动与冲击 ():.何满潮 曹伍富 单仁亮 等.双向聚能拉伸爆破新技术.岩石力学与工程学报 ():.秦健飞 秦如霞 李必红.双聚能槽药柱的研究与应用.工程爆破 ():.李必红.椭圆双极线型聚能药柱爆炸理论及预裂爆破技术研究.长沙:中南大学.吴 波 李华隆 徐世祥 等.椭圆双极线性聚能爆破成缝机理及结构优化研究.铁道科学与工程学报 ():.杨仲豪 杨 军 何成龙.主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟.工程爆破 ():.张 勇 肖平西 丁秀丽 等.高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究.岩石力学与工程学报 ():.李华超.围压应力作用下复式三角形掏槽爆破破岩机理数值模拟研究.青岛:山东科技大学.汪海旭.围压作用下岩石爆炸应力分布及衰减特性模型试验研究.淮南:安徽理工大学.郭双 武鑫 甯尤军.地应力条件下爆破载荷破岩的 模拟研究.工程爆破 ():.夏 祥 李海波 李俊如 等.岩体爆生裂纹的数值模拟.岩土力学 ():.梁洪达 郭鹏飞 孙鼎杰 等.不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究.振动与冲击():.