某边坡不同孔间距预裂爆破数值模拟试验研究

张修玉,杨德强,金桑桑

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵州贵阳 550002;2.北京科技大学资源与环境工程学院,北京 100083;3.贵州大学矿业学院, 贵州贵阳 550025)

某边坡不同孔间距预裂爆破数值模拟试验研究

张修玉1,杨德强2,金桑桑3

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵州贵阳 550002;2.北京科技大学资源与环境工程学院,北京 100083;3.贵州大学矿业学院, 贵州贵阳 550025)

某边坡控制爆破采用预裂爆破,为研究不同孔间距预裂爆破装药对边坡爆破开挖效果的影响,通过ANSYS/LS－DYNA数值模拟和现场试验相结合的研究方法,对不同孔间距工况下的预裂爆破进行数值模拟,并与现场试验进行对比分析,得出采用100mm孔径、不耦合系数为3.13、孔间距为1.0m时,爆破效果最佳,爆破孔间距越大,预缝隙越不明显。

边坡预裂爆破;不同孔间距;数值模拟;现场试验

0 引 言

在边坡控制爆破施工过程中,随着预裂爆破技术研究的不断深入和工程实际的要求,进行了更多的装药辅助结构和预裂爆破参数优化。为了得到更好的预裂爆破效果,秦建飞[1]提出了双聚能槽药卷的成形技术,加强了预裂爆破的聚能效果,并有一定的居中作用,但操作上还是过于繁琐。王乐[2]等提到了聚能装药管的研究使炸药能量能集中对称分布。钟冬望[3]等利用DYNA软件对不耦合装药条件下的预裂爆破过程进行了数值计算研究。许名标[4]等采用数值模拟与爆破试验相结合的方法进行了边坡预裂爆破参数优化研究。徐连生[5]等对实现不耦合装药进行了结构研究。曲艳东[6]等利用LS－DYNA软件分析了不同的装药结构与起爆方式对爆破效果的影响。

本文以某边坡控制爆破施工为例,利用数值模拟和现场试验方法,分析对比不同孔间距预裂爆破的爆破效果,通过调整孔间距后可使边坡爆破开挖效果显著,可为类似边坡开挖工程提供借鉴。

1 工程概况及预裂爆破参数

1.1 工程概况

某市政接驳工程包括轨道交通车站土建预留及相关工程。该基坑开挖长度240m,宽度287.4m,场平相对标高±0.000m,绝对高程1251.79m,负二层坑底标高－11.40m,绝对高程1240.39m,市政接驳工程负三层标高－18.58m,绝对高程1233.21m。爆区东面300m外有砖木结构瓦房、石灰三合土砌石墙木结构瓦房、砖混结构一层和二层现浇板屋面民房,南面有树木林苗和庄稼地,附近有一条乡村道路,西面距离一级重要设施某高铁站最近距125m,北面为某项目部,爆破处环境相对良好,但仍需选择切合实际的爆破施工方案,确保周围环境安全。在靠近西侧已建的轨道区、高铁线边坡的开挖,需要进行边坡控制,要尽量保持边坡的完整性和稳定性,同时减小爆破的振动影响。故对边坡开挖决定采用预裂爆破。

1.2 预裂爆破参数

考虑到试验条件的限制,在不影响试验效果的情况下尽量减少人力和财力,结合现场情况,设定预裂爆破试验的钻孔深度h＝4m,堵塞长度1m。每次试验钻6个孔。爆破器材采用Φ32mm2号岩石炸药卷(每卷300g)、普通导爆索、塑料非电延期导爆管雷管等。本工程试验预裂爆破参数设置见表1。

表1 预裂爆破参数设置值

2 不同孔间距预裂爆破数值模拟

采用ANSYS/LS－DYNA软件进行不同孔间距预裂爆破数值模拟分析。爆破参数为:四孔爆破、孔径100mm、孔深4m、空气长度1.0m、药包直径32mm、孔间延时20ms。

2.1 计算模型

针对不同孔间距预裂爆破装药结构,为确保计算结果的可对比性,建立同一大小模型,且网格密度基本一致。由于模型的对称性及网格单元数较多,为缩短计算时间提高计算精度,建立二分之一模型,在后处理时做平面镜像对称。

2.2 材料模型与状态方程

(1)炸药。描述岩石乳化炸药爆轰产物压力－体积关系采用JWL状态方程[7-9]:

式中,V为相对体积;E0为炸药的内能;A、B、R1、R2和ω为状态方程参数,其参数见表2。

表2 炸药材料及JWL状态方程参数

(2)空气。一般采用MAT—NULL的多项式状态方程来描述高压下的气体,方程形式如下[10]:

式中,eipv0为内能与初始体积比;μ为比体积;C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6均为常数。其参数如表3所示。

表3 空气状态方程参数

(3)岩石与填塞材料。岩石在爆炸应力波作用下的损伤过程可采用∗MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,填塞段所用的岩屑可采用MAT_ SOIL_CONCRETE材料。

2.3 模拟结果及分析

模拟不同孔间距下预裂爆破的破碎效果(见图1～图3),其不同工况参数如表4所示。

表4 不同孔间距工况情况

图1 1.5m孔间距预裂爆破效果

图2 1.2m孔间距预裂爆破效果

图3 1.0m孔间距预裂爆破效果

比较图1～图3成缝过程可知,在爆破初期均能形成初始裂纹,差异较小,炮孔裂纹扩展速度较快。在20ms时,1.5m孔间距预裂爆破裂缝部分贯通;1.2m孔间距预裂爆破裂缝基本贯通;而在1.0 m孔间距时,预裂爆破能使相邻炮孔连线之间大部分贯通,预裂爆破效果更佳,这说明孔间距越大预裂缝越不明显。

根据上述模拟,结合该工程具体实际施工情况,进行了1.2m和1.0m两组不同孔间距预裂爆破试验,得出1.0m孔间距边坡预裂爆破效果与数值模拟结果相符,达到了预期目的。

3 结 语

(1)通过ANSYS/LS－DYNA数值模拟,得出了不同孔间距下的预裂爆破效果,在1.0m孔间距时,预裂爆破效果最佳,此后随着孔距变大,预裂效果越差;

(2)采用不同孔间距预裂爆破进行现场试验,其爆破效果并不是孔间距越大效果越好,相反,孔距越大预裂效果越差,这验证了数值模拟的准确性;

(3)采用数值模拟和现场试验相结合的研究方法,对于保证边坡平整与稳定,效果显著,也为实际边坡控制爆破方案优化提供参考和借鉴。

[1]秦健飞.聚能预裂(光面)爆破技术[J].工程爆破,2007,13 (2):19-24.

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[3]钟冬望,李寿贵.预裂爆破数值模拟及其应用研究[J].爆破, 2001,18(3):8-11.

[4]许名标,彭德红.边坡预裂爆破参数优化研究[J].爆炸与冲击,2008,28(4):355-359.

[5]徐连生,等.一种倾斜炮孔不耦合装药居中装置[P].中国: 201120078082.3.2011-11-09.

[6]曲艳东,吴 敏,孔祥清,等.深孔连续与间隔装药爆破数值模拟研究[J].爆破:2014,31(4):16-21.

[7]文 梼,谭 海.岩石爆破中的空孔效应数值计算分析[J].爆破,2011,28(3):58-61.

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[10]齐世福,刘新波,李裕春.水下钻孔爆破的数值模拟[J].工程爆破,2010,16(4):13-17.

2017-04-12)

张修玉(1984－),男,陕西榆林人,工程师,硕士研究生,主要从事爆破技术研究,Email:602574716＠qq.com。