沟槽效应的数值模拟分析

王 猛，张书平，曹 杰，胡坤伦，汪 齐，韩体飞



沟槽效应的数值模拟分析

王 猛1，张书平1，曹 杰2，胡坤伦1，汪 齐1，韩体飞1

（1.安徽理工大学，安徽 淮南，232001；2.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆，401121）

为研究沟槽效应的产生机理，利用AUTODYN软件，根据假设条件建立简化的二维EULER计算模型，对深孔不耦合装药条件下铵油炸药的传爆过程进行模拟。结果表明：沟槽效应产生的主要原因不是炸药受超前冲击波压缩导致密度的增加。铵油炸药不耦合系数为2时，在距离起爆点0.4m处空气间隙中已经产生超前冲击波，但此冲击波并不会影响炸药正常爆轰。距离起爆点1.5m处，超前冲击波强烈压缩炸药，使炸药爆轰压力降低。

铵油炸药；沟槽效应；压死现象；AUTODYN

工业炸药在连续不耦合装药条件下，常会发生爆轰中断或爆轰转燃烧的现象，该现象称为沟槽效应，又称压死现象。这种现象的发生不仅影响爆破效果，降低施工效率，还会增加爆破现场的危险系数，在煤矿井下爆破时尤为突出，炸药的燃烧可能使矿井中的瓦斯发生爆炸，对工作人员的生命安全产生严重的影响。因此，研究沟槽效应的机理对矿山、井下的施工具有重要意义。目前学术界对沟槽效应机理仍存有争议，其中“空气冲击波超前压缩药包”这一假说受到广泛关注[1]。这一假说认为在爆轰过程中爆炸产物迅速膨胀，压缩间隙中的空气并形成空气冲击波，间隙空气冲击波的波速大于炸药爆轰波的波速，从而炸药爆轰之前受到空气强烈压缩，密度超过极限密度，使爆轰中断。刘尊义[2]、孙德勇[3]以炸药密度为出发点做过相关实验研究，研究发现，拒爆炸药仍能用雷管引爆，这说明拒爆炸药密度超过极限密度的说法不够合理[4]。

事实上，压死现象多在深孔装药条件下发生，位置处于爆炸近区场，故难以通过实验进行实时观测，这一限制为沟槽效应的深入研究增加了难度。本文通过数值计算，对深孔不耦合装药的爆炸过程进行模拟，还原沟槽效应发生时炮孔内状态，为沟槽效应的研究提供参考。

1 计算模型的建立

现实中，深孔不耦合装药条件具有多个变量，为简化模型，做出如下假设：（1）不考虑炸药自身重力，忽略装药过程中引起的炸药密度变化；（2）炸药与炮孔为理想不耦合；（3）炮孔处于无限介质中。

1.1 模型及算法

满足上述假设后，深孔不耦合装药模型便满足轴对称性，故该问题可看成轴对称平面问题，模型由孔壁、炸药及空气组成。模型长5m，宽0.3m，药卷直径0.05m。为了更好模拟深孔环境，除对称轴外的模型边界条件均设置成无限边界。整体采用EULER算法，并对炮孔内网格进行加密处理，图1为镜像后的有限元模型。

图1 有限元模型

现实中，沟槽效应只发生在工业混合炸药中，除此之外压死现象发生在一定的装药不耦合系数范围内，为了全面分析该效应产生机制，设计了5组模拟试验，模型参数见表1。

表1 模型参数

1.2 炸药模型及参数

本次模拟中，选用JWL状态方程描述炸药爆轰产物：

式（1）中：=0，为单位初始体积的内能；，，1，2，等是由实验确定的常数。各项参数均列于表2[5]。

表2 炸药材料参数

空气选用理想气体状态方程，Int Energy为2.068e5。

2 计算结果及分析

图2为奥克托今不耦合装药(试验编号5）结构下炸药和炮孔内空气运动的速度矢线图。

图2 试验5速度矢线图

不耦合装药条件下爆轰波传播时，爆轰产物将径向膨胀[6]，质点飞散的合速度倾斜向前，使整个爆轰产物的膨胀呈圆锥形。高压高密度的爆轰产物在快速膨胀时，与前方空气形成压力差，从而产生空气冲击波。随着产物飞散速度减慢，圆锥形斜冲击波经过一段距离之后便与爆轰产物分离而独立传播。当斜冲击波传播至管道壁面时，将发生反射[7]。由于单质炸药具有高爆速的特点，炮孔间隙内未能产生超前于爆轰波阵面的空气冲击波。

图3为铵油炸药不耦合装药(试验编号4）结构下炸药和炮孔内空气运动的速度矢线图。

图3 试验4速度矢线图

由图3可以看出炮孔间隙内空气在爆轰波到达之前已经开始运动。4号试验装药不耦合系数为2，即管道直径与药卷直径比处于1~4的范围之内[7]，斜冲击波的入射角一般大于发生非正规斜反射的临界值，故产生马赫反射。马赫波几乎垂直于管道壁，马赫波的高度随着爆轰波的传播而增大，当其高度达到管道间隙的径向高度时，马赫反射结束。在炮孔径向间隙内，马赫波将沿着轴线方向向前传播，若此时马赫波的速度大于爆轰波速度，便会产生马赫波超前于爆轰波传播的现象。由于铵油炸药爆速较低，低于马赫波沿炮孔传播的速度，最终炮孔间隙内形成了超前于爆轰波阵面的空气冲击波。

图4为铵油炸药在空气场(试验编号1）中爆炸时炸药和炮孔内空气运动的速度矢线图，由于没有孔壁的约束，不会发生反射，沿药柱方向不能形成超前于爆轰波的空气冲击波。

图4 试验1速度矢线图

图5~6为编号1、4两组试验中距起爆点0.4m处空气和铵油炸药的压力——时间曲线，对比两图发现，不耦合装药时，0.4m处炮孔间隙内空气的压力较炸药急剧上升，爆轰波扫过炸药之前，周边空气出现1个值为32MPa的压力峰，而炸药在空气中爆炸并未出现此现象。

图5 试验1空气、炸药压力——时间曲线(0.4m)

图6 试验4空气、炸药压力——时间曲线(0.4m)

图6中，空气压力峰较爆轰波到达时间仅提前了0.015ms，炸药在这段时间内压力并未发生改变，爆轰波到达后炸药的压力急剧上升，因此在离起爆点较近的距离内，虽然空气间隙中已经产生超前冲击波，但并不会影响炸药正常爆轰。

图7为4号试验中距离起爆点1.5m处空气和铵油炸药的压力——时间曲线，图7显示，爆轰波扫过该处炸药之前，周边空气出现1个值为40MPa的压力峰，时间提前了0.1ms，空气超前冲击波作用于炸药0.06ms后，炸药压力急剧上升至66.5MPa，此为超前冲击波压缩造成的。比较图6~7可得：试验4中距离起爆点0.4m处虽已经产生超前冲击波，但此冲击波作用于炸药时间短，该处炸药爆轰波抵达时，受到超前冲击波影响较小，此处炸药爆轰压为3.383GPa。距离起爆点1.5m处，超前冲击波得到充分发展，较爆轰波提前强烈压缩炸药，使炸药比表面积增大，爆轰压下降为2.717GPa。

图7 试验4空气、炸药压力——时间曲线(1.5m)

图8 炸药密度——时间曲线

图8（a）中，药卷置于空气时，在爆轰波压缩作用下炸药密度由0.934 g/cm3急剧上升至1.174 g/cm3，随后转化为气态爆轰产物。当铵油炸药置于两倍药卷直径的孔壁时，距离起爆点0.4m处炸药密度峰值与图8（a）接近，而距起爆点1.5m处炸药密度峰值达到了3.731g/cm3。5组试验中距离起爆点不同距离的炸药在反应过程中达到的最大密度与爆压见表3。

表3 炸药最大密度与爆压

分析表3中数据发现，各组结果中，炸药反应时的爆轰压力与炸药受压所达到的最大密度不具有相同的关系：1、2、5组试验结果中，炸药爆轰压力和最大密度沿炮孔方向均呈增大趋势。但铵油不耦合装药试验结果中爆轰压力却随炸药最大密度的增加出现了先增后降的过程。这说明沟槽效应产生的主要原因不是炸药受超前冲击波压缩导致的密度增加。

图9给出了铵油炸药不耦合系数为2时的传爆过程，可以总结出该过程分为3个阶段：（1）爆轰成长阶段：起爆后，炸药逐渐稳定爆轰，此阶段前驱冲击波作用于炸药时间短，不足以对炸药产生影响；（2）爆轰衰减阶段：前驱冲击波随着炸药爆轰的成长得到加强，速度提高，作用于未反应炸药的时间增长，未反应炸药在冲击波压缩作用下直径变小，炸药爆轰减弱。（3）熄灭阶段：未反应炸药在强烈压缩作用下直径减小，直至压断，剩余药柱之间出现间隔，反应无法继续传递。

图9 传爆过程

3 结论

本文通过数值模拟对铵油炸药深孔不耦合装药条件下的爆炸过程进行模拟，研究了沟槽效应的发生机理。分析前人所做工作及本文计算结果得出：（1）铵油炸药不耦合系数为2时，炸药起爆后，在距离起爆点0.4m处空气间隙中已经产生超前冲击波，但此冲击波作用于炸药时间短，该处炸药爆轰波抵达时，受到超前冲击波影响较小，并不会影响炸药正常爆轰。距离起爆点1.5m处，超前冲击波得到充分发展，较爆轰波提前强烈压缩炸药，使炸药比表面积增大，爆轰压力下降。（2）铵油不耦合装药试验结果中爆轰压力随炸药最大密度的增加出现了先增后降的过程，证明沟槽效应产生的主要原因不是炸药受超前冲击波压缩导致的密度增加。（3）铵油炸药不耦合系数为2时，传爆过程分为3个阶段：（a）爆轰成长阶段：起爆后，炸药逐渐稳定爆轰，前驱冲击波不足以对炸药产生影响；（b）爆轰衰减阶段：前驱冲击波随着炸药爆轰的成长得到加强，未反应炸药在冲击波压缩作用下直径变小，炸药爆轰减弱；（c）熄灭阶段：未反应炸药在强烈压缩作用下直径减小，直至压断，剩余药柱之间出现间隔，反应无法继续传递。

[1] 薛若恒.对径向间隙效应原理及不偶合装药的初探[J]. 露天采矿技术, 1988(2):9-14.

[2] 刘尊义.铵油炸药的压死现象[J].煤矿爆破, 1996(1):36-39.

[3] 孙德勇.关于提高改性铵油炸药深孔爆破效果的研究探讨[J].爆破器材, 2009, 38(3):12-14.

[4] 郑福良.关于沟槽效应机理的探讨[J].煤矿安全,1994(4): 30-32.

[5] ANSYS Inc．AUTODYN theory manual R4.3[M].USA: Century Dynamics Inc，2005．

[6] 鲍俊.乳化炸药沟槽效应机理的探讨[J].能源与环境,2010(5): 83-84.

[7] 刘谦,AlanBauer.工业炸药管道效应的一般规律[J].山东科技大学学报:自然科学版, 1991(4):381-389.

Numerical Analysis of Channel Effect

WANG Meng1, ZHANG Shu-ping1, CAO Jie2, HU Kun-lun1, WANG Qi1,HAN Ti-fei1

（1.Anhui University of Science and Technology,Huainan, 232001;2 Gezhouba Explosive Co. Ltd.,Chongqing,401121）

To study the mechanism of dead-pressing phenomenon, according to assumptions, the numerical simulation of the explosive process of ANFO in the condition of deep hole without coupling charge was carried out, using Autodyn simulation software. The results show that the main reason of channel effect is not the density increase of the explosive by the pre-shock wave compression, and channel effect can not be caused by the weak pre-shock wave generated at 0.4m away from the detonation point, while the detonation pressure of the explosive decreases by the compression of the strong pre-shock wave at 1.5m away from the detonation point.

ANFO explosives；Channel effect；Dead-pressing phenomenon；AUTODYN

1003-1480（2018）06-0038-04

TQ564.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.010

2018-09-07

王猛（1974-），男，副教授，从事工程爆破、爆炸力学研究。

国家自然科学基金青年科学基金（51604009）。