空气间隔与耦合装药混凝土爆破对比分析[j]

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1、http://www.gtjia.com空气间隔与耦合装药混凝土爆破对比分析吴　亮１，周　勇２，杨　聃３，段卫东１，钟冬望１（１．武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，４３００６５；２．湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉，４３００７０；３．重庆梅溪河流域水电开发有限公司，重庆，４０４６００）摘要：采用动力有限元软件ＬＳ－ＤＹＮＡ分析空气间隔装药与耦合装药结构对混凝土介质的破坏机理，结合混凝土模型对两种装药结构进行了光面爆破试验。结果表明，采用空气间隔装药结构进行爆破后，混凝土表面平整度要优于无空气间隔的情况；空气间隔

2、装药结构能调节炸药能量分布，使孔内爆炸压力沿炮孔轴向的分布更均匀，从而提高炸药爆炸能量的有效利用率。关键词：空气间隔装药；光面爆破；混凝土模型；模型试验为降低岩石开挖爆破对承载岩体的损伤与震动影响，在岩体开挖轮廓处通常采用预裂或光面爆破等轮廓爆破技术。传统轮廓爆破中常采用不耦合装药结构方式，例如将乳化炸药绑扎在贯穿全孔的导爆索上以达到径向和轴向的装药不耦合，从而控制炮孔内的爆炸压力和爆破损伤效应。但是，使用贯穿全孔的导爆索直接导致生产成本提高，且绑扎过程费工费时而延缓施工进度。因此，探求一种既能控制爆破开挖质量，同时又省时、经济的轮廓爆破

3、方式成为工程爆破领域的重要研究课题，特别是在复杂地质条件下的光面爆破技术已引起业内的广泛关注［１－４］。目前，空气间隔爆破技术已在国外的采矿业中得到广泛应用，并取得良好的效果，而其在预裂、光面爆破中的应用研究起步较晚。文献［５］对空气间隔爆破技术在预裂爆破中的应用进行了较为详细的研究；文献［６］讨论了空气层间隔装药轮廓爆破的机理、参数设计和炮孔底部装药段的爆破损伤控制等问题；文献［７］研究了周边孔空气间隔光面爆破技术，发现周边孔爆破效果良好，半孔率达９５％以上，围岩表面不平整度控制在１５ｃｍ以内，每次循环（进尺２．０ｍ）可降低成本１００元

4、左右；文献［８］探讨了空气间隔装药方法在地下工程周边孔装药中的应用；文献［９－１２］对空气间隔装药光面爆破破岩机理进行了数值分析。本文采用动力有限元分析软件ＬＳ－ＤＹＮＡ，并结合混凝土模型试验，研究空气间隔装药与耦合装药结构对混凝土介质的破坏差异。１　材料模型选用及计算模型建立１．１　混凝土损伤模型混凝土受到爆炸冲击荷载作用时，需要考虑大应变、高应变率和高围压下材料损伤实效的动态响应。本文采用的ＪＨＣ（Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔ－Ｃｏｏｋ）模型是一种适用于高应变率、大变形下混凝土与岩石的材料模型，它与金属材料中应用广泛的Ｊｏｈｎｓ

5、ｏｎ－Ｃｏｏｋ材料模型相类似，其等效屈服强度是压力、应变率和损伤量的函数，损伤量则是塑性体应变、等效塑性应变和压力的函数。混凝土ＪＨＣ模型的材料参数见文献［１３］。１．２　炸药状态方程ＬＳ－ＤＹＮＡ程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程。炸药点火后产生爆炸荷载作用于周围介质，任意时刻爆源内一点的压力Ｐ为［１４]http://www.gtjia.com１．３　数值计算几何模型空气间隔装药结构计算模型见图１，计算模型中包括３种物质：炸药、混凝土与空气。为简化计算，堵塞采用混凝土材料。模型简化为厚度方向只有一个单元的三维模型。３种物质均使用８节点６

6、面体实体单元离散，模型厚度方向划分为一个单元，空气与炸药均定义为多物质单元，使得所有物质能在网格内相互流动。对于空气和炸药，计算时采用欧拉算法，对于混凝土则采用拉格朗日算法。模型平面尺寸为４００ｍｍ×４００ｍｍ，炮孔直径为８ｍｍ，炮孔间距为１３３ｍｍ，采用空气间隔装药结构时，炮孔底部距离模型底部边界１５０ｍｍ，炸药柱长为５０ｍｍ，空气柱长为５０ｍｍ，堵塞长度为１５０ｍｍ。采用耦合装药结构时，炸药柱长为５０ｍｍ，堵塞长度为１５０ｍｍ。２　计算结果与分析http://www.gtjia.com耦合装药结构的孔壁单元位于装药段中部，空气间隔装药

7、结构的孔壁单元位于炸药与空气交界面处。两种装药结构的孔壁单元压力时程曲线如图２所示，由图２可见，耦合装药结构的孔壁单元压力峰值约为３．８ＧＰａ，而空气间隔装药结构的孔壁单元压力峰值为２．０ＧＰａ，因此，耦合装药时爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近区介质，导致光面爆破时炮孔近区的介质表面平整度较差。计算模型中考察单元的应力峰值如图３和图４所示，图中横坐标为考察单元与炮孔底部的垂直距离，其值为负表示考察单元位于炮孔底部以下。http://www.gtjia.com由图３可见，在横坐标为－０．１０～０．０８ｍ的范围内，空气间隔装药结构中考察单元的拉伸

8、应力峰值均大于耦合装药结构中对应考察单元的拉伸应力峰值，这表明空气间隔装药更有利于炮孔间裂纹的产生与扩展。在横坐标为０．０５ｍ处，两种装药结构的考察单元拉伸应力峰值相差最大，耦合装药时拉伸应力