束状孔替换球形药包爆破技术

束状孔替换球形药包爆破技术

束状孔内的定量球形药包爆炸技术是北京矿业大学专注于研究地下矿的深孔爆炸的新技术。基本概念是：由几个距离为3.8倍的密集平行孔组成，这些孔中有4个距离为3.8倍。这种爆破技术在爆破近区过粉碎程度低,中远区裂隙条数和扩展长度都比等效单孔好,因此爆破能量利用率更高,在我国多个矿山得到了广泛的应用。本文采用数值模拟的方法对比束状孔和其等效单孔爆破效果,证实束状孔爆破的上述优点。1带束孔的无限岩体爆炸值的模拟1.1药代动力学模型研究炸药在无限岩体中爆炸,主要是消除边界效应,在所建立的模型各个方向表面都施加无反射边界,横波和纵波的透过性都为有效。模型模拟孔径42mm,孔间距210mm,4孔为一束,耦合装药,炸药与岩石无间隔,炸药和岩石采用共节点法计算,柱状装药并且炸药尺寸相对模型尺寸较小,所以可以简化为平面应变问题,在炮孔厚度方向上采用单层网格,作为“准二维”近似,为此要为模型施加厚度方向上的位移约束。模型长度和宽度方向上尺寸为3m×3m,厚度方向上尺寸为0.005m,模型四周施加无反射边界。1.2材料参数的确定岩石参数采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC随动硬化塑性材料参数,如表1所示。炸药使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料参数,添加JWL状态方程配合使用,其性能参数及JWL方程常数如表2、表3所示。JWL状态方程用来确定炸药压力PS,形式如下:PS=A(1−ωR1V)eR1V+B(1−ωR2V)eR2V+ωESV×12(1)ΡS=A(1-ωR1V)eR1V+B(1-ωR2V)eR2V+ωESV×12(1)式中:A、B、R1、R2、ω为炸药本身常数,见表3;V—爆炸气体相对比容;ES—爆炸能量密度,J/kg。1.3爆破近区内具有地震响应分析和破坏机制每10μs输出一个计算结果,共计算500步,即模拟从炸药起爆到5ms内模型结构变化,部分计算结果如图1所示。在不考虑岩石内原始应力的情况下,束状孔装药在无限岩体中起爆,经过极短时间(小于9.6μs),炸药爆轰激起冲击波,压力高达3.1GPa,如图1a所示;同时,冲击波向炮孔内壁透射,岩石内产生透射波,峰值压力0.36GPa,在49.6μs时,每个炮孔都形成相同的柱状波并自炮孔中心向四周发散传播,如图1b所示;在138μs时,4条冲击波相遇,在炮孔连线上形成应力集中并产生裂隙,形成粉碎区,此区域内压力显著衰减,峰值0.137GPa,如图1c所示;在189μs时,粉碎区相互贯通,形成一个大的粉碎区,半径约0.16m,冲击波也相互叠加呈花瓣状继续向外扩散,峰值压力90MPa,如图1d所示;在339μs时,在X轴Y轴方向存在应力集中,形成沿X、Y方向发展的密集裂隙甚至是断裂带,粉碎区外围岩体被分割成块,破碎程度降低,这便是粉碎区边界,叠加后的波形类似于圆柱波,峰值压力已经衰减到41MPa,如图1e所示;在689μs时,自粉碎区向外围发展数条密集的裂隙,波形也更接近于圆柱波,峰值压力27.8MPa,如图1f所示;在969μs时,裂隙已经基本停止扩展,裂隙区基本形成,裂隙区半径约0.53m,峰值压力衰减速度放缓,为22.4MPa,如图1g所示;在1939μs,X、Y轴方向的裂隙基本停止扩展,应力波开始向外透射,由于没有自由面,此时应力波的作用已经基本结束,应力波将继续向远处传播形成地震波。应力波的作用时间约为炸药引爆后的2ms内。下面研究爆炸近区内冲击波的情况,图2为1/4模型爆破近区图,选取了2170#、779#和1847#单元,这三个单元的压力—时间曲线如图3所示。ANSYSLS-DYNA有限元模拟软件是基于连续介质力学的计算方法,当单元失效后该单元的所有物理和力学参量都被赋零值,不再参与计算,图3中三条曲线只有波峰没有波谷和随后的震荡曲线就是由于近区内单元基本都已经被删除。三条曲线波峰顶点的坐标如表4所示。通过表4可知,爆破近区内冲击波峰值压力大,高达0.61GPa,衰减速度也很快,在2.8倍孔径时衰减到0.25GPa,而在4.6倍孔径时只有0.11GPa。选取爆破中远区内1906#、28517#、38357#、50011#、60370#、72542#和83941#共7个单元,这些单元在模型中的位置以及其压力—时间曲线如图4、图5所示。7条曲线的峰值压力如表5所示。由表5和图5可以看出,相对爆心距(某点距束孔中心距离与等效单孔半径之比)从6.8倍孔径到10.5倍,压力峰值衰减剧烈,从83.8MPa降低到36.4MPa;从10.5倍开始,压力峰值衰减速度放缓,从36.4MPa降低到46.2倍的9.67MPa。2等单孔药物在无限岩体中的爆炸值模拟2.1等效单孔模型的计算按照式D=N−−√dD=Νd(其中N为束状孔的单孔个数,d为束状孔单孔直径)计算,等效单孔的孔径为84mm,进行同样的处理,厚度方向上简化为1层单元,模型整体尺寸为3m×3m×0.005m,上下表面施加位移约束,四周边界施加无反射边界条件,横波和纵波的透过性都为有效。2.2材料参数岩石及炸药材料参数、求解参数都与上一节相同。2.3爆破过程中单元压力—计算结果及分析在不考虑岩体原始应力情况下,单孔装药在无限岩体中起爆,经过9.9μs,孔内压力上升到约8GPa,如图6a所示;在19.5μs,冲击波已经透射到岩体中,激起岩体内冲击波并以柱面波的形式向外扩散,峰值压力0.51GPa,如图6b所示;在39μs时,孔壁已经出现粉碎区,峰值压力0.45GPa,如图6c所示;在390μs时,粉碎区已经形成,半径约0.11m,外围出现密集的裂隙,岩体被分割成多块,峰值压力衰减到36MPa,如图6d所示;在989μs,裂隙区形成,其中密集裂隙区半径约0.4m,稀疏裂隙的损伤区半径约0.71m,峰值压力17.5MPa,如图6e所示;在2089μs,冲击波已经透射出去,应力波的作用时间结束,结束时间在炸药起爆后2ms左右。下面研究爆破近区内情况,选取1969#、1079#、610#和264#单元,这4个单元在模型中的位置以及其压力—时间历程曲线如图7、图8所示。上述4个单元压力—时间历程曲线的各顶点坐标如表6所示。从表6可以看出,透射到孔壁的冲击波峰值压力高达0.51GPa,而到1.7倍R时已经衰减到0.33GPa,到达粉碎区边界(3.1R)的时候则只有0.14GPa。再选取1389#、29098#、39451#、51619#、63271#、73889#和83736#单元,这7个单元在模型中位置以及其压力时程曲线如图9、图10所示。上述7个单元压力时程曲线顶点参数如表7所示。从图10和表7可以看出,从中区6.0倍R到46.0倍R,单元压力峰值近似按照指数规律衰减,从41.2MPa降低到9.48MPa,总体衰减速度不大,但是从中区开始初始压力峰值就很小,只有41.2MPa。3等效单孔孔壁单元的特征本文使用有限元分析软件ANSYSLS-DYNA对束状孔及其等效单孔在无限岩体中爆炸作用进行了模拟,主要结论如下。1)由图1和图6可以看出,在装药量相同的情况下,束状孔爆破粉碎区小,裂隙区和损伤区较大,而等效单孔粉碎区较大,裂隙区和损伤区都比束状孔小。2)在爆破近区,等效单孔孔壁单元峰值压力比束状孔大,这对于破碎岩石毫无益处,因为压力远远高于岩石的抗压强度,只会增加岩石过粉碎,消耗大部分爆炸能量。3)在相同的相对距离处,束状孔单元峰值压力