基于LS-DYNA的減震溝減震效應(yīng)研究

張?jiān)?,2，王公忠1,2

(1. 河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；

2.河南工程學(xué)院 煤礦災(zāi)害預(yù)防控制實(shí)驗(yàn)室河南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 鄭州 451191)

摘要：為了研究減震溝的減震作用，運(yùn)用大型動(dòng)力分析軟件LS-DYNA，基于具體工況分別對(duì)有減震溝和無(wú)減震溝的露天礦臺(tái)階爆破進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明，減震溝距離爆源越近，減震效果越好,減震率最高可達(dá)77%，為減震溝的減震效應(yīng)研究和類似工況提供了理論支持.

關(guān)鍵詞：減震溝；LS-DYNA；減震率；臺(tái)階爆破；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：O38文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-08

基金項(xiàng)目：河南工程學(xué)院博士基金(D2013022)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B440005)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(141PPTGG375)

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)?1983- )，女，陜西渭南人，講師，博士,研究方向?yàn)楸乒こ?

大孔徑大孔網(wǎng)參數(shù)在爆破施工中的普遍應(yīng)用導(dǎo)致爆破震動(dòng)對(duì)鄰近建構(gòu)筑物的影響成為亟待解決的問題之一.減震溝作為一種有效的減震手段，廣泛被應(yīng)用于爆破施工過程中.減震溝主要用來(lái)阻隔和干擾爆破地震波的傳播，使地震波發(fā)生反射、繞射，加快爆破地震波的衰減，從而起到減震的作用.易長(zhǎng)平[1]等通過數(shù)值模擬得出了減震溝的減震效果隨減震溝深度的增加而增加、減震溝的寬度變化對(duì)減震意義不大的結(jié)論.郭濤[2]等對(duì)不同位置的減震溝進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出當(dāng)減震溝與保護(hù)目標(biāo)較近時(shí)減震效果較好，當(dāng)減震溝與保護(hù)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)減震效果較差的結(jié)論.顧宏偉[3]等對(duì)兩道減震溝的隔震效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出較深的減震溝排列靠近爆源可以提高減震溝的隔震效果，而兩道寬度不同的減震溝的排列順序?qū)p震溝的隔震效果沒有影響的結(jié)論.潘濤[4]等對(duì)減震溝的參數(shù)進(jìn)行了不同多組數(shù)值模擬，得出除減震溝的寬度外，減震溝的爆心距、長(zhǎng)度、深度對(duì)減震溝的減震效果均有顯著影響的結(jié)論.本研究基于具體的露天礦臺(tái)階爆破工況，運(yùn)用大型動(dòng)力分析軟件LS-DYNA對(duì)有減震溝和無(wú)減震溝的露天礦臺(tái)階爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬，以期對(duì)類似工況有一定的指導(dǎo)意義.

1本構(gòu)模型和參數(shù)選取

1.1　炸藥參數(shù)和控制方程的選取

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，本研究中炸藥采用高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，控制方程選擇JWL狀態(tài)方程，該方程是專為描述炸藥等含能材料爆炸時(shí)的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程[5]，其表達(dá)式為

(1)

式中，p為壓力；V為體積變化;R1，R2，ω，B和A為材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能.

數(shù)值模擬中，選用的2號(hào)巖石乳化炸藥密度為950 kg/m3，狀態(tài)方程中的各參數(shù)取值[6-9]分別為E0=4.5E+9, R2=0.9, ω=0.3, B=0.529E+9, R1=3.5，A=47.6E+9，炸藥的爆轟速度為3 600 m/s.巖石力學(xué)參數(shù)的選取如表1所示.

表1　計(jì)算中所取巖石力學(xué)參數(shù) Tab.1　Mechanical parameters of rock in numerical calculation

1.2　構(gòu)建數(shù)值模擬模型

根據(jù)露天礦的具體工況，分別建立有減震溝和無(wú)減震溝兩種工況的數(shù)值模擬模型，主爆孔直徑為90 mm，臺(tái)階高度為10 m，炮孔深度為10.5 m，其中超深為0.5 m，堵塞長(zhǎng)度為3 m，最小抵抗線為3 m.在有減震溝的數(shù)值模擬模型中，減震溝寬2 m、深3 m、距臺(tái)階頂部3 m，主爆孔距坡底線均為6 m.兩種工況的主爆孔距離坡底線距離相同，均采用耦合裝藥方式，底部起爆，計(jì)算時(shí)間為0.05 s.考慮到炸藥產(chǎn)生的爆轟能量會(huì)以地震波的形式在基巖中傳播，所以模型底部建立0.5 m厚的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無(wú)反射邊界，以實(shí)現(xiàn)減少計(jì)算模型、計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)算精度的目的.兩種工況的數(shù)值模型剖面圖如圖1所示.

圖1　數(shù)值計(jì)算尺寸模型 Fig.1　Dimension model

因建立的兩種工況的數(shù)值模型不同，所以單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不同.為了敘述方便，記兩種模型自坡頂線中心節(jié)點(diǎn)依次為N1，N2，N3，N4和N5，減震溝在節(jié)點(diǎn)N1和N2之間，沿炮孔中心軸線做剖面，分別對(duì)有減震溝和無(wú)減震溝兩種工況模型以10 m為步距選取相同爆心距的節(jié)點(diǎn)并提取峰值振速.以有減震溝工況數(shù)值模型為例，節(jié)點(diǎn)選取情況如圖2(a)所示，無(wú)減震溝工況選取的位置相同，這里不再贅述.圖2(b)與圖2(c)分別為無(wú)減震溝和有減震溝兩種工況的典型歷程曲線.

圖2　節(jié)點(diǎn)選取示意圖和峰值振速典型歷程曲線 Fig.2　Chosen points and typical curve of the peak particle velocity

有減震溝和無(wú)減震溝兩種工況的峰值振速相差比例計(jì)算方法如下式所示：

(2)

式中, η為減震率； Vw為無(wú)減震溝的峰值振速； Vy為有減震溝的峰值振速.有減震溝和無(wú)減震溝的工況峰值振速對(duì)比見表2.

表2　有減震溝和無(wú)減震溝兩種工況的峰值振速對(duì)比 Tab.2　Difference proportion of each point in the two conditions

由表2可看出，減震溝可以起到很好的降振作用，減震率在水平徑向最高可達(dá)51.4%,垂直向最高可達(dá)59.6%,水平切線最高可達(dá)77%.由于爆破能量的衰減發(fā)生在爆源近區(qū),所以,基于具體工況,結(jié)合減震率表明,離爆源越近,減震效果越好.

2結(jié)論

(1)距離爆源越近，減震溝的減震效果越好，減震率最高可達(dá)77%.

(2)數(shù)值模擬分析從理論上為減震溝的減震效應(yīng)和相似工況減震溝的位置選擇提供了依據(jù).由于數(shù)值模擬中假定的巖體為均質(zhì)巖體，故數(shù)值模擬數(shù)據(jù)大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)規(guī)律性無(wú)影響.

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Study on damping effect of damping ditch by using LS-DYNA

ZHANG Yuanjuan1,2，WANG Gongzhong1,2

(1.CollegetofSafetyEngineering,HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191，China；

2.HenanProvinceUniversitiesKeyLaboratoryBreedingBaseofCoalMineDisasterPreventionandControl

Laboratory，HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:In order to study the damping effect of damping ditch, the explicit nonlinear dynamic analysis finite element program LS-DYNA is used based on the specific conditions. The two different numerical models with damping ditch and without damping ditch are made respectively to study the damping effect of open-pit blasting. Numerical simulation results show that the nearer the damping ditch from the explosion source is, the better the damping effect will be, and the biggest decreasing amplitude ratio can reach to about 77%, it provides the theoretical support for the research of damping effect of damping ditch and similar conditions.

Key words:damping ditch；LS-DYNA；decreasing amplitude ratio；bench blasting;numerical simulation