锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响.pdf

:./.锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响王 鑫 汪海波 王传兵 吕 闹 程 兵 姜自亮 王梦想 安徽理工大学土木建筑学院(安徽淮南)淮南矿业(集团)有限责任公司(安徽淮南)安徽理工大学化学工程学院(安徽淮南)摘 要 为研究聚能穴锥角参数对爆炸应力和岩石损伤破裂范围的影响以获得最优的聚能穴参数从而达到最佳的破岩效果利用有限元模拟软件 建立了 种锥角参数下的单向聚能药柱模型 锥角的深度为 种锥角高度分别为、和 研究了岩石裂纹扩展的影响规律测得聚能方向与非聚能方向上不同位置的有效应力得到不同锥角参数对应的岩石单元的最大破坏距离 结果表明:聚能锥角会对爆破产生定向作用特别是对岩石破碎和拉伸裂纹所带来的破岩效果影响明显当锥角高度为 时距炮孔 测点处聚能方向上的有效应力比非聚能方向同样距离处高.同时聚能方向上单元损伤比要比非聚能方向高 聚能效果最佳随着锥角高度逐渐增大聚能方向上岩石裂纹逐渐减少裂纹分叉减少单元破坏最大距离可达.并且呈下降趋势关键词 聚能装药裂纹扩展损伤比锥角分类号.()().()().第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:安徽理工大学专利转化培育项目()安徽理工大学 年研究生创新基金()安徽省高校自然科学研究重大项目()第一作者:王鑫()男硕士研究生主要从事爆破工程方面的科研工作:.通信作者:汪海波()男教授主要从事爆破工程方面的教学和科研工作:.引言炸药的聚能效应是利用装药结构一端特殊的空穴在炸药爆炸一瞬间所产生的爆轰产物高速聚集在中心轴线上从而形成一股能量很高的聚能流可以很大程度地提高在特定方向上对物体局部的破坏作用 近年来许多学者基于此开展了理论和试验研究 张旭进等运用有限元数值模拟软件研究发现相比于普通不耦合装药聚能结构可以在降低装药量的情况下大大提高定向爆破破岩的效果薛震等对异型环向聚能管的二次聚能效果进行了研究并且模拟了二次聚能射流形成的过程对射流质量进行分析得出偏角为、锥角开口为 时二次聚能能量集中破甲能力较好 郭德勇等对双孔聚能爆破的应力波叠加效应进行分析得到双孔聚能爆破聚能方向上裂纹的扩展过程 梁洪达等通过统计分析聚能爆破后岩石裂纹的扩展长度总结得到拉伸应力波的传播规律 崔魁文等模拟了药型罩锥角对侵彻体的影响模型采用大锥角 得出锥角在 时侵彻性能良好 丁亮亮等对射流参数的影响规律进行分析拟合出了射流速度的工程化方程为单向聚能锥角参数研究提供了理论支持 周方毅等建立了带有锥角和球缺组合式的聚能装置该组合结构产生的射流为后面弹丸运动提供了动力在岩土爆破工程中现有研究主要集中于传统双向聚能药柱的破岩机理和工程应用 基于双向聚能药柱的良好破岩效果提出了一种单向聚能药柱并获得国家发明专利 然而对于这种单向聚能药柱缺少锥角参数对爆破破岩效果的影响规律研究 因此采用显式动力数值分析软件 分析了 种锥角参数的单向聚能药柱在隧(巷)道掘进爆破中所产生的聚能效果得到相应的爆炸应力波传播规律和岩石的损伤破裂范围 单向聚能药柱壳体截面.基本原理隧(巷)道掘进爆破中炮孔主要分为掏槽孔、崩落孔和周边孔 类 在延迟爆破过程中起爆顺序依次为掏槽孔、崩落孔、周边孔图中为掏槽孔区域、为崩落孔破岩区域为周边孔爆破区域掏槽爆破是隧(巷)道 图 隧(巷)道掘进爆破过程示意图.()掘进爆破中炮孔利用率高低的关键因此两排掏槽孔聚能方向以槽腔为中心 区域炮孔的聚能方向为各自的最小抵抗线采用单向聚能药柱加强槽腔(或最小抵抗线)方向的岩体破碎和抛掷提高爆破效果.聚能管截面设计根据隧(巷)道掘进爆破常用钻爆参数以炮孔直径 为基础设计聚能管参数 聚能管为一侧带有锥角的 管如图 所示 壁厚为 内壁半径为 外壁半径 为 锥角深度为 为研究锥角参数对聚能效果的影响设计 种锥角锥角高度(开口高度)依次为、和 对应的锥角 分别为、和 图 聚能管截面.数值模型建立与参数选择.模型建立采用准二维模型 前期通过/软件进行建模单元类型为 实体单元模型厚度设置为单位厚度单位制为 建立岩石、炸药、空气和 聚能管 种模型采用映射网格划分方法 岩石模型直径为 计算模型如图 所示 炸药和空气两种材料单元采用欧拉网格建模 聚能管和岩石采用拉格朗日网格建模 岩石单元采用多物质 算法 炸药和空气属于流体岩石和 聚能管属于固体流体与固体之间采用 爆 破 器 材 第 卷第 期图 计算模型.流固耦合算法通过关键字 来实现 岩石材料模型采用通过修改 文件、添加失效关键字 来模拟裂纹扩展过程炸药采用高燃高爆材料模型状态方程为 ()式中:为压力 为体积 为内能、和 为材料属性参数由材料本身决定.计算参数选择炸药选用矿用三级煤矿许用水胶炸药爆速、爆压 和参考密度 等参数见表 表 炸药的参数./()/()/./.聚能管采用塑性随动强化材料模型通过关键字 来控制 详细参数见表 空气采用中的材料模型表 聚能管的参数.密度/()弹性模量/切变模量/屈服应力/泊松比.状态方程采用 定义公式为 ()()式中:为爆压 为常数 为单位体积的内能 空气的参数见表 表 空气的参数./()./().数值计算结果分析.单向聚能药柱爆破破岩特性模型计算时采用的失效准则为拉剪破坏 当岩石单元的拉应力和切应变达到最大时单元将发生破坏软件将会删除该单元 此时在岩石中产生裂纹 这种计算方式能够直观地看到炮孔周围拉伸裂纹的形成和发展过程 由于计算工况较多仅列出锥角高度为 时炮孔周围的裂纹情况(图)图()中聚能药柱起爆后 时炮孔四周出现破碎区但是右侧径向裂纹明显先于周围裂纹 图()中当 时炮孔周围的破碎区继续扩大并且径向裂纹更加明显由于破碎区岩石受到内侧的压应力逐渐增大岩石所受到的应力逐渐增大开始达到失效值此时可以观察到岩石右侧开始产生定向拉伸裂纹同时四周也产生拉伸裂纹事实上非聚能方向上的拉伸裂纹长度明显短于 聚能方向图()中当 时炮孔周围 图 锥角高度 时炮孔周围裂纹扩展过程.年 月 锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响 王 鑫等 的破碎区持续扩大同时右侧聚能方向上的裂纹更加明显此时观察到明显的拉伸裂纹并且聚能方向上的裂纹明显大于非聚能方向 图()中当 时炮孔周围的破碎区继续扩大聚能方向上的拉伸裂纹迅速扩展同时开始出现分叉 图()中当 时岩石的裂纹扩展明显右侧聚能方向上拉伸裂纹和分叉明显增大而且有进一步扩大的趋势聚能方向上的裂纹远远长于非聚能方向上的裂纹 图()中当 时右侧聚能方向上裂纹达到最长四周拉伸裂纹也达到最大非聚能方向上裂纹始终没有聚能方向上的裂纹长右侧聚能方向上裂纹的分叉增多并且达到最大破坏范围为了能更直观地观察和分析单向药柱破岩开始阶段裂纹的形成过程将岩石材料模型设置为 该材料模型引入了偏应力张量第三不变量 对破坏面形状的影响 可定性判定材料的应变类型和应力状态从而可以观察应力的变化特征 运用 有限元软件模拟求解后在 软件里面通过 号变量得到不同时刻炮孔周围岩石的有效应力场如图 所示 当 时聚能穴右侧聚能方向最先出现应力集中现象在图()中可以观察到右侧最先出现红色区域并且炮孔周围未观察到红色区域这表明聚能爆炸作用所产生的能量优先于炮孔周围非聚能方向上所产生的能量并且聚能方向上能量持续时间长 当 时聚能穴周围产生明显的破碎区红色区域增多同时右侧聚能方向明显出现喷射状聚能效果这种喷射状的聚能作用比周围非聚能方向上影响范围更广 当 时整个破碎区继续扩大右侧聚能方向也逐渐扩大在右侧聚能方向的能量也逐渐扩散并向着上、下两侧分散.有效应力的影响以炮孔中心为坐标原点定义右侧聚能方向为正方向、左侧非聚能方向为负方向取右侧距炮孔中心、和 的点记为、和 左侧距炮孔中心同样距离取 点记为、和 得到不同位置处的有效应力时程曲线如图 所示 由图()可见锥角高度为 时处的有效应力达到了.而 处的有效应力为.聚能方向上的有效应力远大于非聚能方向 同样对于聚能穴左、右两侧 和 处的有效应力聚能方向均大于非聚能方向图()图 锥角高度 时炮孔周围岩石的有效应力场.()()图 不同锥角高度的有效应力时程曲线.爆 破 器 材 第 卷第 期中当锥角高度为 时聚能方向和非聚能方向上的有效应力差有所下降达到了.随着锥角高度逐渐变大聚能穴左侧测点的有效应力逐渐靠近右侧聚能方向上测点的有效应力同时右侧聚能方向上测点的有效应力在逐渐减小聚能效果逐渐下降有效应力逐渐降低曲线峰值在上下靠近差值逐渐减小 因此锥角高度 时的爆破效果最好并且距炮孔中心 处左、右两测点的有效应力差达到了最大为.由图 可知在聚能穴右侧 处单元有效应力相对较大聚能效果较好能量比较集中 进一步得到不同锥角高度时右侧聚能方向上距炮孔中心 处的单元有效应力峰值并拟合出有效应力峰值与锥角高度的关系如图 所示 图 测点 处的有效应力峰值与锥角高度的关系.由图 可见聚能方向上的有效应力与锥角高度总体呈线性减小的关系 聚能穴锥角高度为 的工况有效应力峰值最大为.其次是聚能穴锥角高度为 的工况有效应力峰值为.随着聚能穴锥角高度的增大聚能方向上 处的有效应力逐渐减小有效应力峰值逐渐下降表明聚能效果逐渐下降.锥角高度对裂纹扩展的影响 为了分析不同锥角高度对岩石裂纹扩展的影响利用后处理软件对求解出来的文件进行分析得到带有不同锥角高度的聚能穴爆炸后岩石的裂纹扩展效果如图 所示 由图()可知聚能穴锥角高度为 时能量最集中于右侧聚能方向上聚能方向上裂纹明显长于非聚能方向且分叉远多于左侧分叉聚能效果最佳 由()可知锥角高度为 时聚能方向上能量逐渐分散由原来的单一裂纹分散成 束长短不一的裂纹并且在 束聚能裂纹之间出现很长的分叉破坏范围变大聚能效果显著聚能方向上分叉始终多于非聚能方向上的分叉裂纹 由()可知锥角高度为 时裂纹分叉逐渐减少破坏力减弱聚能方向上聚能作用逐渐集中在粉碎区裂纹拉伸区聚能作用减弱但仍然能看到聚能方向上裂纹的分叉这表明聚能作用对岩石仍具有持续性破坏 由()可知锥角高度为 时右侧聚能方向上的聚能效果逐渐削弱裂纹分叉减少能量逐渐向着周围发散 由聚能穴锥角高度为 和 的模拟结果可知右侧聚能方向上的裂纹逐渐分散聚能效果变弱裂纹分叉减少如图()和图()所示.不同工况下岩石的爆破损伤分析通过后处理软件 可以计算出岩石内单元的损伤情况进而更有效地确定不同聚能穴锥角参数下岩石的损伤程度 同样取岩石右侧聚能方向为正方向、非聚能方向为负方向分别在聚能穴的右侧聚能方向距炮孔、和 位置处取 个测点单元同时在非聚能方向取对应位置的 个测点单元记为 、和 计算岩石各测点单元的损伤比()式中:为爆炸前单元的体积为爆炸后单元的体积 当单元完全损坏时损伤比为 图 中当聚能穴锥角高度为 时左、右两侧距炮孔 处岩石单元均发生 破坏右侧单元比左侧单元破坏拐点出现得更早而且线条斜率更大 左侧非聚能方向上距炮孔 处 图 不同锥角高度的聚能穴爆破后岩石的爆生裂纹分布.年 月 锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响 王 鑫等 ()()图 不同锥角高度的聚能穴爆破后各单元损伤比的时程曲线.单元损伤比仅仅达到了 而对应的右侧聚能方向上距炮孔 处单元损伤比达到了 也就是完全破坏而且聚能方向上线条斜率大拐点要比左侧更早出现 可见此处聚能方向先发生破坏且单元破坏要比左侧非聚能方向单元破坏得多当锥角高度为 时在左、右两侧距炮孔 处单元仍然发生破坏 但是相比于 锥角高度此时距炮孔 处无论是聚能侧还是非聚能侧单元的损伤比都持续下降左侧相比而言下降了.右侧下降了.可见聚能方向上下降比重大聚能效果下降明显聚能方向上单元损伤达到 时以单元与炮孔的距离为纵坐标以不同锥角高度为横坐标运用后处理软件计算出不同聚能锥角高度与对应的最大破坏距离的拟合曲线见图 由图可知锥角高度不断增加聚能方向上单元达到完全破坏时距离炮孔的最长距离逐渐减小锥角高度为 时单元达到 破坏时的最长距离可达.在 种工况中达到最长距离聚能效果最好 图 不同锥角高度时的最大损伤范围.取右侧聚能方向距离炮孔 处单元对比不同聚能穴锥角高度时单元的损伤比得到图 图 不同聚能穴锥角高度时在距炮孔 处的损伤比.由图 可以看出锥角高度为 时在聚能方向上距炮孔 处单元的损伤比最大达到了 岩石完全破坏聚能效果最佳破岩能力最好其次就是同一位置、锥角高度为 的工况损伤比达到了.略低于锥角高度为 的聚能穴聚能效果理想 随着聚能穴锥角高度不断地增大单元的损伤比逐渐降低聚能效果逐渐被削弱破岩能力逐渐降低为了验证数值模拟的可靠性得到准确的锥角高度的单向聚能药柱对岩石产生的毁伤效果合理的网格尺寸对于控制模拟结果的准确性极为重要 为了避免最终数值模拟结果的明显失真进行了收敛性试验以确定合理的网格 在此过程中网格尺寸不断减小网格数量不断增加直到两个相邻试验模拟结果的差值减小到 结论)单向聚能药柱可明显增强聚能方向上的破 爆 破 器 材 第 卷第 期岩能量起到加强定向破岩的作用)聚能方向主裂纹的长度和次裂纹的数量较非聚能方向多随着锥角高度的增大次裂纹数量减少 验证了单向聚能药柱的可行性)对于锥角深度 的单向聚能药柱随着聚能穴锥角高度增大聚能方向同样距离处岩体的有效应力和损伤比逐渐减小岩体的损伤比随着锥角高度的增加而逐渐降低参 考 文 献 陈伟 马宏昊 沈兆武 等.壳体环向聚能致裂器的作用原理与应用研究.爆破器材 ():.():.张旭进 张昌锁 宋水舟.基于 的聚能装药结构优势数值模拟.矿业研究与开发 ():.():.薛震 陈智刚 侯秀成 等.带偏角环形聚能装药射流汇聚性能研究.爆破器材 ():.():.郭德勇 赵杰超 朱同功 等.双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理.工程科学学报 ():.():.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():.():.崔魁文 米双山 高敏.药型罩锥角对聚能杆式侵彻体影响的数值分析.兵工自动化 ():.():.丁亮亮 李翔宇 卢芳云 等.聚能射流参数的工程化函数研究.弹箭与制导学报 ():.():.周方毅 王伟力 姜涛 等.变锥角聚能装药水中爆炸数值模拟研究.爆破 ():.():.汪海波 彭恒 魏国力 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