明 悅,胡浩川,周建敏
(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司, 貴州 貴陽 550002)
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不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響研究
明悅,胡浩川,周建敏
(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽550002)
為研究不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響,在貴州省某露天礦爆破施工現(xiàn)場(chǎng),通過改變不同空氣間隔裝藥位置來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。采用分析軟件對(duì)爆破后的塊度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,空氣層置于炮孔中部時(shí),其爆堆的破碎效果最優(yōu),不僅能夠保證上部巖體的充分破碎,又能保證下部巖體不留根底,巖體的損傷效果最好。
空氣間隔裝藥;塊度分布;損傷范圍;爆破效果
空氣間隔裝藥是爆破工程技術(shù)人員在尋求經(jīng)濟(jì)、高效的工程爆破技術(shù)過程中開發(fā)的一種裝藥結(jié)構(gòu)。盡管相比連續(xù)耦合裝藥其存在裝藥施工更為繁瑣的缺點(diǎn),但是由于空氣間隔裝藥具備炸藥單耗小、爆破破碎效果好的作用,一直受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者們的重視和青睞。
近些年來,國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者們對(duì)于空氣間隔裝藥爆破都不乏理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面的研究,對(duì)于該項(xiàng)爆破工程技術(shù)也積累了相當(dāng)豐富的研究成果[1 ̄2]。但是目前對(duì)于不同空氣層位置的選擇,國(guó)內(nèi)外學(xué)者持有不同的觀點(diǎn):Monxon和張迎吉等人[3 ̄4]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究得出空氣層置于炮孔中部的爆破破碎效果要優(yōu)于空氣層置于其它位置;而池恩安和張楚靈[5 ̄6]等認(rèn)為空氣層置于底部的爆破效果則更好。
本文以貴州省某露天礦為爆破工程試驗(yàn)對(duì)象,將空氣柱分別置于藥包上部、中部、底部3個(gè)位置,并與連續(xù)爆破進(jìn)行對(duì)比分析,研究其對(duì)巖體破碎效果的影響。并結(jié)合有限元LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析巖體的損傷范圍,從而確定最佳的空氣間隔位置。
1.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案
在貴州某露天礦爆破現(xiàn)場(chǎng),通過改變不同空氣間隔裝藥位置來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),得到不同爆破條件下的巖體破碎效果。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)共分為4種不同工況:上部空氣間隔裝藥爆破、中部空氣間隔裝藥爆破、底部空氣間隔裝藥爆破和連續(xù)裝藥爆破,其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上述4種工況下爆破的主要參數(shù)為:炮孔直徑165 mm,臺(tái)階高度15 m,孔深16.5 m,超深1.5 m,空氣層高度2 m,填塞長(zhǎng)度4.5 m,孔距為6 m,排距為5 m,單孔藥量為168 kg。
1.2爆破塊度結(jié)果分析
每次現(xiàn)場(chǎng)爆破后拍攝爆堆,通過Split-Desktop 3.0軟件分析爆堆的塊度分布來表征爆破破碎效果。不同位置空氣間隔裝藥爆破和連續(xù)裝藥爆破的塊度分布結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表1,根據(jù)分析結(jié)果繪制不同工況條件下爆破塊度分布變化情況如圖2所示。
根據(jù)表1和圖2結(jié)果可知:
(1) 分析爆堆平均塊度分布發(fā)現(xiàn):連續(xù)裝藥爆破爆堆的平均塊度最大,為45.63 cm,上部、中部和底部空氣間隔裝藥爆破的平均塊度分別為38.42 cm、24.43 cm和27.28 cm。
(2) 分析爆堆最大塊度分布發(fā)現(xiàn):連續(xù)裝藥爆破爆堆的最大塊度最大,為109.38 cm,中部空氣間隔裝藥爆破的最大塊度最小,為70.16 cm。從爆堆平均塊度分布及最大塊度分布情況看,中部空氣間隔裝藥爆破的破碎效果最優(yōu)。
采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)不同位置空氣間隔裝藥爆破進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合工程實(shí)際情況,模擬不同空氣間隔條件下巖體的損傷特性,以期為實(shí)際工程提供參考。
圖1 不同位置空氣間隔裝藥和耦合裝藥結(jié)構(gòu)
圖2 不同工況條件下爆破塊度分布變化情況
2.1模型建立
本次模擬采用三維網(wǎng)格來模擬爆破的流固耦合問題,為了減少計(jì)算量,在建模過程中采用過渡網(wǎng)格模式,炮孔附近網(wǎng)格較密,逐漸過渡到較大的網(wǎng)格。4種不同工況的計(jì)算過程均設(shè)置為炸藥底部起爆。模型底部、兩側(cè)及后側(cè)均定義為無反射邊界,模型其它界面定義為自由邊界。
2.2材料模型與狀態(tài)方程
(1) 巖體材料模型。在本次模擬過程中,采用JHC模型來模擬巖石,該材料能較好的模擬出脆性材料在高溫、高壓、大應(yīng)變率等條件下的受力狀態(tài)。
(2) 爆轟波和氣體。采用高能炸藥模型以及JWL狀態(tài)方程[7]模擬炸藥產(chǎn)生的爆轟波。JWL狀態(tài)方程為:
(1)
式中,E為內(nèi)能, Pa;A,B,w,R1,R2為炸藥特征參數(shù),一般為常數(shù);V為炸藥相對(duì)體積。炸藥材料參數(shù)如表2所示。
表2 炸藥材料參數(shù)
2.3巖體損傷特性結(jié)果分析
通過數(shù)值模擬計(jì)算,得到不同位置空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)下巖體的最終損傷范圍,如圖3所示。
圖3不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破巖體的損傷范圍情況
根據(jù)圖3可知:
(1) 在其他爆破參數(shù)一致的條件下,連續(xù)裝藥時(shí)巖體的損傷范圍最大。
(2) 采用底部空氣間隔時(shí),可以看到由于空氣層的存在,使得臺(tái)階底部的巖體受損范圍較小,容易產(chǎn)生根底。而采用頂部空氣間隔裝藥時(shí),臺(tái)階底部巖體損傷范圍較底部空氣間隔裝藥大,同時(shí)堵塞段巖體的損傷范圍比底部間隔裝藥要小,容易導(dǎo)致孔口處產(chǎn)生大塊。
(3) 對(duì)于中部空氣間隔裝藥,其在炮孔頂部和底部都有合適的損傷范圍,既保證了上部巖體的充分破碎,又保證了下部巖體不留根底,而中間部分的巖體也能被破壞,就破碎效果來說,中間空氣間隔裝藥效果最好。
為研究不同位置空氣間隔裝藥爆破對(duì)巖體破碎效果的影響,在貴州某露天礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),采用Split-Desktop 3.0分析軟件及LS-DYNA數(shù)值模擬方法,對(duì)連續(xù)裝藥及不同位置空氣間隔裝藥爆破的破碎效果和損傷范圍進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:
(1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,炮孔中部空氣間隔裝藥爆破的平均塊度及最大塊度尺寸均為最小,取得了最好的爆破破碎效果。
(2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)采用中部空氣間隔裝藥爆破時(shí),巖體的損傷效果最好。既保證了上部巖體的充分破碎,又保證了下部巖體不留根底,而中間部分的巖體也能被破壞。
[1]吳亮,朱紅兵,盧文波.空氣間隔裝藥爆破研究現(xiàn)狀與探討[J].工程爆破,2009,15(1):16 ̄19.
[2]吳亮,位敏,鐘冬望,等.空氣間隔裝藥爆破動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)特性研究[J].爆破,2009,26(4):17 ̄21.
[3]Monxon N T, Mead D, Richardson S B. Air-decked blasting techniques:Some collaborative experiments.Transactions of the Institution of Mining & Metallurgy[J].Section A:Mining Industry,1993(102):25 ̄30.
[4]張迎吉,周建敏,徐文文,等.不同位置空氣間隔裝藥爆破減振和破碎效果試驗(yàn)[J].工程爆破,2015,21(1):15 ̄19.
[5]池恩安,梁開水,趙明生.孔底空氣間隔裝藥降震試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(06).
[6]張楚靈,姜建明,黃鐵平.云浮硫鐵礦底部間隔裝藥技術(shù)的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2001,1(2):64 ̄65.[7]康強(qiáng).空氣間隔裝藥爆破數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.
2016 ̄02 ̄17)
明悅(1975-),男,高級(jí)工程師,主要從事爆破工程方向的研究,Email:602574716@qq.com。