起爆点数目对条形药包爆炸应力场的影响分析.pdf

马东（1979），男，高级工程师，111000 辽宁省辽阳市。起爆点数目对条形药包爆炸应力场的影响分析马东1高常胜1胡世超1李宗武1傅利民1李冬1吴东海1张鹏1宫国慧1韩雪娇1牛宁宁2（1.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司；2.晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿）摘要为了研究起爆点数目对平行孔爆炸应力分布特征的影响，采用有限元软件LS-DYNA建立单点起爆、2点起爆、3点起爆和4点起爆的数值计算模型，提取模型中特定单元的峰值应力和峰值应力到达时间进行分析。结果表明：单点起爆的爆轰波从孔底传递至孔口呈明显的锥形特征，具有明显的时间效应和方向效应，相邻起爆点的中间位置形成拉伸应力波，出现垂直炮孔轴线方向的微裂纹；减少起爆点间距能降低爆轰时间，并使得附近介质的压力更趋近于柱面波，有利于炸药能量的利用，可以有效减少矿石大块率，提高铁矿石铲运效率；随着起爆点数目的增加，单元达到峰值压力时间变短，峰值压力变大，有利于铁矿石的破碎，降低矿石大块率。关键词起爆点数目条形药包LS-DYNA爆破DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.016Analysis of the Influence of the Number of Initiation Points on the Explosive Stress Fieldof Strip ChargeMA Dong1GAO Changsheng1HU Shichao1LI Zongwu1FU Limin1LI Dong1WU Donghai1ZHANG Peng1GONG Guohui1HAN Xuejiao1NIU Ningning2（1.Ansteel Group Mining Gongchangling Co.，Ltd.;2.Chengzhuang Mine of Jincheng Lanyan Coal Industry Co.，Ltd.）AbstractIn order to study the influence of the number of initiation points on the stress distributioncharacteristics of parallel hole explosion，the finite element software LS-DYNA was used to establish the numerical calculation models of single point initiation，two point initiation，three point initiation and four pointinitiation.The peak stress and peak stress arrival time of the specific unit in the model were extracted and analyzed.The results show that:The detonation wave of single-point initiation is transmitted from the bottom of the hole to the orifice with obvious conical characteristics，which has obvious time effect and direction effect.Reducing the distance between the detonation points can reduce the detonation time and makethe pressure of the nearby medium closer to the cylindrical wave，which is conducive to the utilization of explosive energy，can effectively reduce the bulk rate of ore and improve the efficiency of iron ore shoveling.With the increase of the number of initiation points，the time for the unit to reach the peak pressure becomesshorter and the peak pressure becomes larger，which is conducive to the crushing of iron ore and reduces thebulk rate of ore.Keywordsnumber of initiation points，strip charge，LS-DYNA，blasting现代矿业MODERN MINING条形药包中，炸药从起爆点开始传爆，起爆点的位置会影响到炸药能的释放，起爆点的起爆方向和起爆数目影响着爆破效果1。张文魁2对爆炸点的位置进行了分析，发现反向起爆能有效地改善爆破效果。任宪仁3采用数值模拟分析不同起爆方式对单自由面岩体的爆破影响。杨军4采用高速摄影观测了柱状药包爆炸裂纹分布特征，裂纹数目随爆炸应力波的传播呈上升趋势。杨国梁等5运用有限元总第 652 期2023 年 8 月第 8 期Serial No.652August.202367现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期数值计算的方式，研究了空气间隔装药炮孔周围应力的变化规律。条形药包在起爆点之后，爆轰波沿轴线方向传播，条形药包会产生圆柱形的应力场。按照起爆点位置的不同6，可以将其分成3种：正向起爆（靠近孔口位置）、反向起爆（靠近孔底位置）、双向起爆（炮孔轴线中间位置）。弓长岭地下矿山为释放产能，提高了分段高度，并增大采矿巷道跨度，炮孔布置形式由扇形孔变为平行孔，条形药包中起爆点的数目和起爆方向影响炸药能量的释放，所以，有必要对条形药包的起爆方式进行分析。1条形药包力学模型分析假定有圆柱形药筒，爆炸点距左右两边距离分别为b和a（ba），其中S为药包截面面积，爆轰波的运动轨迹为 x，爆轰产物在爆炸发生后为一维等熵流，其简化的模型见图1，其移动规则可通过以下公式来说明7：t(u+2-1c)+(u c)x(u 2-1c)=0，（1）式中，u、c分别是爆震波的速度与爆轰产物的声速；是绝热系数；+、-分别代表波的左右传播方向。通常，如果绝热系数=3，那么式（1）可以被简单地表示为t(u c)+(u c)x(u c)=0.（2）参考文献，各流场中爆轰波波阵面的爆轰产物速度u和声速c分布在起爆点两侧的爆轰产物质量和能量为8Mb=19S(4a+5b)，（3）Ma=19S(5a+4b)，（4）Eb=127SV2(1116a+b)，（5）Ea=127SV2(a+1116b)，（6）式中，Mb、Ma分别为爆炸点左边和右边爆轰产物质量，kg；是爆轰产物的密度，kg/m3；在起爆时，Eb、Ea起爆部位的左边和右边分别有不同的爆炸能量，J；V为炸药稳定爆轰速度，m/s。2条形药包爆炸应力场的数值模拟2.1岩体本构模型及力学参数本文使用 LS-DYNA 中的*MAT_HIGH_EXPLO-SIVE_BURN关键字及JWL态方程，对爆轰产物的体积、压力、能量的变化进行计算：P=A(1-R1)eR1+B(1-R2)eR1+1e，（7）式中，P是爆炸的压强，MPa；A、B、R1、R2、为拟合试验参数；e为比内能；=/0，0为炸药初始密度，kg/m3。JHC是一种适用于大应变、高应变、高压力的铁矿石材料力学模型，其强度随压力、应变速率和破坏程度而变化，其本构关系为*=A(1-D)+B(p*N)(1-cln*)，（8）式中，*=/fc，为等效应力与静态屈服强度比值；D为损伤值；p*=p/fc，为无量纲的压强；*=/0，为无量纲应变速率；c为应变率系数。利 用 NULL 描 述 空 气 材 料 模 型 和 LIN-EAR_POLYNOMIAL 的状态方程来说明爆炸物质的爆炸状况。上述多项式的状态方程式是P=C0+C12+C22+C33+()C4+C5+C62E，（9）=1V0-1，（10）式中，E是单位体积能量，kJ；V0是空气相对体积，m3；C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6是与空气本身性质相关的常数，C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4，当空气的密度为1.225 kg/m3时，V0取1.0。2.2数值模型参数在数值模拟中，不同材料的物理力学参数如表1、表2所示。在LS-DYNA的有限元分析中，将其建模过程分成前处理、求解和后处理3个阶段。在设计过程中，炸药、空气采用ALE网格进行，堵塞与岩体分别使用Lagrange 网格进行，并利用流-固耦合关键*CON-STRAINED_LAGRANGE_IN-SOLID来完成。建立宽 12 m、高 7.5 m的模型，模拟了炮孔直径68马东高常胜等：起爆点数目对条形药包爆炸应力场的影响分析2023 年 8 月第 8 期为75 mm、炮孔间距为1.5 m的平行孔爆破效果。整个模型分为 3 个 Part，Part1 为岩石，Part2 为空气，Part3 为炸药。单元类型选用 solid164 单元，共创建518 950个单元，1 045 204个节点。采矿巷道上部（平行孔孔口位置）设置自由约束，其余边界设置无反射条件约束。2.3数值模拟结果针对不同起爆点数目对爆炸应力场分布的特点，提出了4种起爆方式：孔底单点起爆，孔口、孔底2个起爆点起爆，3个起爆点起爆，4个起爆点起爆。如图2所示，平行孔单点起爆后，爆轰波开始在以球形从孔口向孔底传播，在整个药包完成爆轰的任意时刻，爆轰波呈明显的锥形特征。大约39.98 s，爆轰波传播至平行孔底，相邻炮孔的应力波互相叠加，约在59.99 s时，爆炸应力波传播到边界，在边界形成反射拉伸波，反射应力波与之前炮孔应力波叠加。通过图3对比不同起爆点数目有效应力云图得出，随着起爆点数目的增加，爆炸点的设置有利于产生圆柱形的应力场，起爆点间距的减少，降低爆轰时间，并使得附近介质的压力更趋近于柱面波。铁矿石中炸药能量分布更加均匀，有利于炸药能量的利用，有助于弓长岭地下铁矿平行深孔爆炸应力场的均匀分布，可以有效降低矿石大块率，提高铁矿石铲运效率。在4个模型平行炮孔左侧选取编号为133877的同一单元，对比起爆点数目对炮孔周围压力变化特征，见图4。如图4所示，单点起爆约在34 s时，单元压力峰值为19.8 MPa；双点起爆约在24 s时，单元压力峰值为 26 MPa；3 点起爆约在 16 s 时，单元压力峰值为25.6 MPa；4点起爆约在 15.9 s时，单元压力峰值为27.5 MPa。综上所述，随着起爆点数目的增加，单元69现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期133877达到峰值压力时间变短，峰值压力变大，有利于铁矿石的破碎和降低大块率。3结 论（1）单点起爆的爆轰波从孔底传递至孔口呈明显的锥形特征，具有明显的时间效应和方向效应，相邻起爆点的中间位置形成拉伸应力波，出现垂直炮孔轴线方向的微裂纹。爆炸应力波传播到边界，在边界形成反射拉伸波，反射应力波与之前炮孔应力波叠加。（2）爆炸点的设置有利于产生圆柱形的应力场，起爆点间距的减少，降低爆轰时间，并使得附近介质的压力更趋近于柱面波。铁矿石中炸药能量分布更加均匀，有利于炸药能量的利用，有助于弓长岭地下铁矿平行深孔爆炸应力场的均匀分布，可以有效减少矿石大块率，提高铁矿石铲运效率。（3）随着起爆点数目的增加，典型单元达到峰值压力时间变短，峰值压力变大，有利于铁矿石的破碎和大块率降低。参考文献1ITALO A.O，JASON K.F，EWAN S，et al.Modelling blast induced damage from a fully coupled explosive chargeJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2013，58（58）:73-84.2张文魁.炮眼堵塞和起爆位置的爆破效果 J.煤炭科学技术，1983（6）:39-42.3任宪仁.单自由面条件下延长药包爆破作用及数值模拟 D.武汉：武汉科技大学，2004.4杨军.爆炸过程裂纹发展的高速摄影试验研究 J.北京理工大学学报，1998（2）:113-116.5杨国梁，杨仁树，姜琳琳.轴向间隔装药爆破沿炮孔的压力分布J.爆炸与冲击，2012，32（6）:653-657.6吴立，闫俊，周传波.凿岩爆破工程 M.武汉:中国地质大学出版社，2005.7张宝平，张庆明，黄风雷.爆轰物理学 M.北京:兵器工业出版社，2006.8高启栋，靳军，王亚琼，等.隧道掏槽爆破中起爆点位置对爆炸能量传输的影响作用及其比选研究 J.中国公路学报，2022，35（5）:140-152.（收稿日期 2022-11-21）70