基于流固耦合的岩巷快速掘进爆破数值模拟

基于流固耦合的岩巷快速掘进爆破数值模拟

基于岩石隧道快速挖掘技术的迫切需要，克服开挖不平衡、节约资源、高效建设高产水井的迫切需要。道路快速挖掘是国内外矿浆工程技术的发展趋势。目前国内外提高掘进爆破效率的研究大致有2个方面:一是从优化爆破参数着手,另一方面是从爆炸能量合理利用控制角度考虑。为了克服普通爆破和光面爆破的不足及满足复杂条件下岩体定向断裂控制爆破的需要,国内外不少专家和学者在爆炸能量充分利用和控制方面进行了大量理论和探索性试验研究,聚能爆破技术由此应运而生。基于ANSYS_LS-DYNA对2种爆破模型的爆破全过程进行了模拟与分析,在爆轰波传递的角度说明聚能爆破在岩巷快速掘进中的具体优势。1用聚能药包制作根据聚能爆破原理,即利用聚能槽引导爆生气体产生高温、高压、高速度的气流或者射流切割破碎岩体,在工程应用中常常采用制作聚能药包、炸药管切缝以及制作带有聚能槽的药型罩等方式。采用了带有2个对称聚能槽的药型罩作为数值模拟的研究对象。1.1网络网格划分本次模拟实验基于动力学方程为前提采用了流固耦合方法,运用显示算法对模型爆破过程进行计算。采用solid162实体单元进行网格划分,为避免Lagrange单元网格的形状畸变可能导致计算中断、计算结果不可信等问题,在计算中采用多物质ALE方法,其中炸药爆炸单元采用Euler单元,其余药罩、空气、岩石等被爆炸单元均采用Lagrange单元;同时岩石与药罩,药罩与空气之间通过定义流固耦合实现爆炸过程的模拟。1.2爆破模型的建立当药包置于岩石内部时,垂直于岩巷面方向未受到或受到较为微小的应力,在模拟实验中可忽略不计,因此本次实验中所建立的2种模型均建立为平面应力模型。实验模型中使用的起爆方式为点起爆式。利用有限元软件ANSYS中的LS-DYNA模块建立了2种平面模型:一种是普通爆破模型(无聚能槽),一种是带有2个对称聚能槽药性罩的聚能爆破模型。整个建模过程采用mm-g-μs单位制。图1(a)为普通爆破模型,由乳化炸药、空气、PVC药型罩以及外围岩石(以中粒砂岩为主)材料构成;其中,炸药层半径为20mm,空气层厚度为10mm,药型罩厚度为5mm,为充分模拟炸药在完全约束条件下的爆破效果,外围岩石材料半径选为药型罩的100倍,为5000mm。图1(b)为聚能爆破模型,基本构成材料、炸药层半径、药型罩厚度参数与普通装药模型保持一致,其中聚能槽的角度设为40°,考虑到炸药爆炸膨胀时体积的扩大倍数很大(约1000倍以上),故空气层部分的影响可以忽略不计。1.3模型材料参数本次模拟中涉及乳化炸药、PVC聚能罩2种介质相关参数见表1和表2。2结果和分析2.1爆破能量传递图2是2种模型在相同时间点时的爆破效图。模拟结果显示,普通爆破模型爆破时爆破能量呈均匀分布传递,而聚能爆破模型在聚能槽方向上爆炸能量有明显地汇聚传递效应。同时聚能爆破模型下的岩石破碎范围较小,约为普通爆破模型岩石破碎范围的1/4,表明在聚能槽作用下3/4的爆炸能量被汇聚到了聚能槽方向进行传递。2.2爆破压力变化规律理论可知,当爆轰波传递至测点时,该测点处压力达到峰值,由此可跟踪记录爆轰波的传递特征。在本次模拟实验中利用后处理程序LS-PREPOST对两种模型运算过程中岩石所受到的压力进行处理计算,得到相应的压力-时间曲线,根据曲线图我们可以得到爆轰波的传递特征。图3是在2种爆破模型的爆破影响区内,沿着水平径向和垂直径向两方向距爆破中心50mm处各取一点,利用程序输出各点处压力随时间的变化曲线。由曲线图可以看出:普通爆破模型沿水平和垂直径向测点的压力峰值大致相同,约为0.23GPa,聚能爆破模型沿水平和垂直径向测点压力峰值分别约为0.21GPa和0.42GPa。普通爆破模型沿水平和垂直径向测点达压力峰值所需时间大致相同,约为21μs,聚能爆破模型沿水平和垂直径向测点达压力峰值所需时间分别约为12μs和13.5μs。图4是在2种爆破模型的爆破影响区内,沿着各模型水平径向和垂直径向2个方向上以相同距离间隔d(d=100mm)各取6个点,利用后处理程序程序输出各点压力峰值大小以及达到该峰值时所对应的时间,后经处理所得到的各点压力峰值随时间的变化曲线。由图3、图4可以看出:2种模型的爆轰波压力均随时间逐渐衰减。沿水平径向方向爆轰波最大压力,普通爆破模型约为0.18GPa,聚能爆破模型约为0.37GPa,约为普通爆破模型的2.1倍;沿垂直径向方向爆轰波最大压力,普通爆破模型与聚能爆破模型大致相同,约为0.18GPa。聚能爆破模型垂直径向、普通爆破模型水平径向、普通爆破模型垂直径向3种情况的爆轰波压力曲线变化趋势大致相同,聚能爆破模型水平径向的爆轰波压力明显高于以上3种情况。综合分析图3、图4可以得出不同模型下爆轰波的传递特征:1)非聚能方向上,爆轰波所产生的作用力大致相同;聚能方向上,爆轰波所产生的作用力较大,约为非聚能方向的1.83倍,提高了近85%。2)同一模型爆轰波沿不同方向传递速度大致相同,而同一方向上聚能爆破模型爆轰波传递速度较快,约为普通爆破模型1.75倍,提高了约75%。3爆破能量分布1)聚能爆破通过聚能槽定向汇聚能量传递,汇聚能力较普通爆破提高了75%,整体改善了爆炸能量的分布。2)聚