基于数值模拟的并敷装药爆破效果

张光雄，欧阳天云，尚文凯，赵明生，司海峰

(1.保利民爆哈密有限公司，新疆 哈密 839200；2. 保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；3. 哈密市和翔工贸有限责任公司，新疆 哈密 839200 )

新疆巴里坤县别斯库都克露天煤矿(以下简称“别矿”)地质条件复杂，岩层性质差异大，岩体裂隙发育，地质构造丰富，裂隙水蕴含量大，为新疆片区最难开采的露天煤矿。自建矿以来，别矿深孔台阶爆破一直存在大块和根底过多的问题，对根底和大块的二次处理，拖慢施工进度，严重制约着后续的采、运、排效率，影响着矿山的整体经济效益。考虑别矿现有铵油和乳化两种炸药类型，通过对这两种炸药采用并敷装药结构，分析不同比例的并敷装药结构对爆破效果的影响，探求合适的并敷炸药比例。这对于改善爆破效果，解决大块和根底过多问题以及降低生产成本具有重要的现实意义。

并敷装药结构是指两种及以上爆速不同的炸药捆绑或搭接在一起，形成的整体装药结构。类似光面爆破及预裂爆破中使用导爆索自底向上沿轴向连接的装药结构，以及在含水炮孔爆破中，为了节约成本，采用下部乳化装药上部铵油装药的并敷装药结构。目前，对并敷装药结构的研究仅在理论上取得了些成果，王新生、梁锐等[1-2]对并敷装药结构的传爆特性进行过研究。通过实验及理论分析得出：无论并敷段的炸药哪个先起爆，沿着并敷段轴向方向，爆轰总是以其中最大的爆轰速度进行传播。但是在实际应用中，针对单种类型炸药和并敷装药的效果分析研究较少。本文从工程实际出发，运用数值模拟技术对不同装药比例的并敷炸药进行研究，以探求合理的并敷装药结构，改善爆破效果。

1 计算模型及实验方案

由于分析的是并敷炸药对深孔台阶爆破效果的影响，为了简化模型，降低计算时长，只对一个炮孔中并敷炸药的爆破效果进行分析，鉴于模型的轴对称特点，建模时只建四分之一模型。炸药和空气采用多物质ALE算法[3]，岩石采用Lagrange算法，为了较为贴近现场实际，对岩石模型四周边界施加透射条件，上边界作为临空面不做处理，模型采用cm-g-s单位制建模，模型尺寸1.5 m×1.5 m×1.5 m，装药总长度1 m，位于模型中心，炮孔直径120 mm。实验网格模型如图1所示。

图1 实验网格模型Fig.1 Experimental grid model

实验中，为了找到不同的并敷装药结构对爆破效果的影响规律，采用控制变量法，建立6组参考对比模型。保持其他条件不变，仅改变乳化炸药与铵油炸药的长度，具体实验参数如表1所示。

表1 不同并敷装药结构的具体参数

2 材料参数的选取

2.1 炸药参数

炸药爆轰产物的状态方程选用JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程[4-5]。其形式为

(1)

式中：p为爆轰压力；V为相对体积；E为单位体积炸药内能；A1，B1，R1，R2，ω为JWL方程的相关参数。

模型所用炸药材料及状态方程参数如表2所示。

表2 炸药材料及状态方程参数

2.2 岩石参数

岩石在爆炸荷载的作用下表现出高应变率和大变形的破坏特征，为了准确描述岩石爆破的损伤和失效过程。本文选用JHC(Johnson_Hlmquist_Concrete)[6-8]岩石材料模型。该模型将岩石的损伤因子D定义为等效塑性应变和塑形体积应变累加。

(2)

岩石损伤模型(HJC)参数如表3所示。

表3 HJC模型参数

3 数值模拟及结果分析

3.1 岩石的裂纹扩展分析

岩石中的炮孔在爆炸后会在炮孔周围形成破碎区、裂隙区和弹性振动区(见图2)，各模型的破碎区基本已形成，裂隙区处于正在扩展的状态。由于网格精度的问题，其失效删除的单元并不规整，但各模型在同一时间的整体损伤效果差异明显，可以看出：①全部使用乳化炸药的爆破效果要比并敷装药效果好，并敷装药的效果比全部使用铵油炸药的好，这是因为图2a中的裂隙损伤范围大于图2b～图2e的裂隙扩展范围，而图2f的裂隙扩展范围最小，并且并敷装药模型的裂隙扩展范围差异并不明显；②并敷装药模型中，乳化与铵油炸药接触部位爆破效果明显，从图2b～图2e可以看出，在2种炸药接触部位形成了较大的破碎区。

3.2 参考点的应力传播分析

为了分析不同装药比例模型的应力随时间变化差异，在模型中选择距离爆破中心点1 m，分布于炮孔一侧的3个单元(见图3)作为分析对象，分别为#162351、#178235、#195563。为了避免因模型与实际现场存在的差异造成分析误差，3个单元的应力-时间仅取应力波到达并累计200s的范围。这段时间不存在临近炮孔的应力波干扰，可作为该炮孔能量的实际输出来参考。

从#162351单元的压力-时间曲线(见图4)可看出：从应力波作用开始，到达应力峰值(模型6例外)，模型1～5的应力-时间曲线基本重合，而模型6应力增速较慢，且峰值较小。说明全部使用乳化炸药以及采用并敷装药在应力传播前期，其效果基本一致，而全部使用铵油炸药，应力加速度较小，且应力峰值小于其他装药形式。

图4 #162351单元在不同模型中的压力时程Fig.4 Pressure time-history of #162351 unit in different models

#178235单元与#162351单元在到达应力波峰前的应力-时间关系基本类似(见图5)：模型1～5基本一致，而模型6在应力加速度和应力峰值上均小于其他模型。

图5 #178235单元在不同模型中的压力时程Fig.5 Pressure time-history of #178235 unit in different models

#195563单元延续了以上两个单元的基本走势(见图6)，但模型1～5的应力-时间曲线重合度较其他单元模型差。通过这3个参考点的分析，可以得到全乳化炸药和并敷装药的效果差异不大，全铵油装药效果较差。对于#178235单元和#195563单元的应力波峰前的曲线模型1～5重合度较差的结果，分析认为是由于采用孔底起爆的缘故，随着炸药从下往上逐步爆轰，失效删除的单元会对应力的传播造成一定影响，所以距离起爆点越近的地方所受的影响越小。

图6 #195563单元在不同模型中的压力时程Fig.6 Pressure time-history of #195563 unit in different models

3.2 爆破后岩石的能量变化分析

从岩石材料的内能、动能和总能量随时间变化的曲线可以看出(见图7～图9)：①模型1～5岩石总能量在达到峰值之前，其曲线基本重合，且峰值能量较模型6大；②模型1的内能和动能随时间变化的曲线在前期与其他模型相似的基础上达到了更高的峰值。分析得出：全乳化装药和并敷装药的爆破能量作用效果在前期基本一致，且都较全铵油装药效果好；全部采用乳化装药的效果最好，其次是并敷装药，而全部采用铵油装药的效果最差。

图7 岩石材料的内能-时间变化关系Fig.7 Time-internal energy variation of rock material

图8 岩石材料的动能-时间变化关系Fig.8 Time-kinetic energy variation of rock material

图9 岩石材料的总能量-时间变化关系Fig.9 Time-total energy variation of rock material

综合以上分析结果，针对全乳化炸药和并敷装药在应力传播和能量累计上的相似性，可用文献[2]对并敷段炸药传爆特性的研究结果进行解释：沿不同爆速炸药并敷段轴向，爆轰总是以其中最大的爆轰速度进行传播[1-2]。所以，并敷装药的爆轰传递特征总是与爆速高的乳化炸药传爆特征类似。

4 结论

1)全乳化装药的整体效果要比并敷装药和全铵油装药的效果好，针对爆破区域地质环境复杂的炮区当优先考虑全乳化装药，以减少根底和降低大块率。

2)全乳化装药和并敷装药的效果差异不大，且不同比例的并敷炸药模型对爆破效果的影响差异也较小，鉴于铵油炸药的成本低于乳化炸药，在综合考虑成本和爆破效果的基础上，可优先考虑并敷装药结构，并可适当采用大比例铵油并敷。