張袁娟，王幸榮，王鳳凰

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州 451191；2.湖北宜化集團礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖北 宜昌 443000)

預(yù)裂縫長度對爆破效果的影響

張袁娟1，王幸榮2，王鳳凰2

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州 451191；2.湖北宜化集團礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖北 宜昌 443000)

為了研究預(yù)裂縫長度對爆破效果的影響，運用大型動力顯式軟件LS-DYNA對長度分別為5 m和7 m的預(yù)裂縫與貫通裂隙對爆破效果的影響進行了模擬，從峰值振速衰減的角度結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果得出結(jié)論：針對3種工況，預(yù)裂縫越長，減震效果越好，預(yù)裂縫對峰值振速存在的屏蔽區(qū)也受預(yù)裂縫長度的影響.結(jié)論對預(yù)裂爆破的研究及爆破參數(shù)的設(shè)置有一定的借鑒作用. 關(guān)鍵詞：預(yù)裂縫；爆破效果；LS-DYNA;數(shù)值模擬；峰值振速

預(yù)裂爆破作為一種控制爆破技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦山開采和路塹開挖中.預(yù)裂爆破是沿開挖的輪廓鉆孔不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)起爆前起爆，形成一條預(yù)裂縫，以阻隔裂隙向預(yù)裂邊坡延伸并降低爆破振動對預(yù)留邊坡的擾動[1],在工程中有重要的意義.相關(guān)學(xué)者也對此進行了研究,文獻[2]針對具體的邊坡進行了大量的預(yù)裂爆破，得出了適合具體工況的預(yù)裂爆破參數(shù)，通過數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合理論分析推導(dǎo)出了爆破參數(shù)選取公式,論證了數(shù)值模擬結(jié)合理論分析方法的正確性和實用性；文獻[3]討論了預(yù)裂爆破在某電站巖體開槽爆破中的應(yīng)用，取得了良好的效果；文獻[4]從力學(xué)的角度出發(fā)，以預(yù)裂縫高度為依據(jù)將爆炸應(yīng)力波分成上部應(yīng)力波和底部應(yīng)力波，應(yīng)用節(jié)理剛度模型和應(yīng)力波理論分析了預(yù)裂縫對爆破的降振作用；文獻[5]針對某具體礦山成功案例進行了分析,對預(yù)裂爆破相關(guān)的幾個參數(shù)進行了統(tǒng)計，該礦山運用預(yù)裂爆破技術(shù)得到了很好的效果.本課題對維護礦山邊坡穩(wěn)定的預(yù)裂縫進行了數(shù)值模擬分析，通過峰值振速的衰減研究了預(yù)裂縫長度對爆破效果的影響，以期擴充預(yù)裂爆破的研究內(nèi)容.

1 數(shù)值模擬

1.1 炸藥參數(shù)和控制方程

炸藥采用高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，控制方程為JWL狀態(tài)方程.該方程是專為描述炸藥等含能材料爆炸時的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程，表達式[6-10]為

(1)

式中：p為壓力，Pa；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.

1.2 材料參數(shù)的選取

選用2號巖石乳化炸藥，具體參數(shù)如下：炸藥的密度為1 310 kg/m3;炸藥的爆轟速度為5 500 m/s.巖石的力學(xué)參數(shù)選取如表1所示.

表1 花崗巖彈塑性動力學(xué)模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of elasticplastic dynamic model of granite

數(shù)值模擬中，LS-DYNA中的MAT_NULL材料被用來模擬空氣，控制方程選用線性多項式狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程可以用來模擬氣體的動力學(xué)行為，方程如下：

表2 空氣參數(shù)Tab.2 Parameters of air

p=C1+C2η+C3η2+(C4+C5η+C6η2)E，

(2)

式中：p為壓力，Pa；V為初始相對體積；C1～C6為常數(shù)；η為比體積；E為內(nèi)能與初始體積之比.

空氣參數(shù)的選取見表2.

2 數(shù)值模擬

圖1 預(yù)裂縫俯視圖Fig.1 Planform pre-splitting crack

2.1 數(shù)值模擬模型

為了研究在動載作用下預(yù)裂縫對爆破地震波的影響，模型選用參數(shù)模型如圖1所示，建模單位為cm-g-μs.為了減少人為邊界對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，除了頂面，其余5面均設(shè)置為無反射邊界，以解決縫隙間結(jié)構(gòu)面相閉合問題.裂縫間界面，非貫穿裂縫底部為自由面，貫穿裂隙底面設(shè)置為無反射邊界，主爆孔采用耦合裝藥，計算時間設(shè)置為0.15 s.

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在數(shù)值模擬過程中，假定預(yù)裂縫的縫寬r=4 cm和縫深h=8 m不變，對長度分別為5 m和7 m的預(yù)裂縫與貫通裂縫進行數(shù)值模擬，提取一定爆心距(R)處的峰值振速.本課題僅從水平向峰值振速進行分析，對其規(guī)律沒有影響，提取的典型歷程曲線如圖2至圖4所示.

圖2 預(yù)裂縫長為5 m時的峰值振速典型歷程曲線Fig.2 The typical process curve of the peak velocity with pre crack length 5 m

圖3 預(yù)裂縫長為7 m時的峰值振速典型歷程曲線Fig.3 The typical process curve of the peak velocity with the pre crack length 7 m

圖4 預(yù)裂縫為貫穿裂隙時的峰值振速典型歷程曲線Fig.4 The typical course curve of the peak vibration velocity with through crack

針對所提取的典型歷程曲線，為了更好地表述和體現(xiàn)峰值振速的衰減規(guī)律，對峰值振速隨著爆心距的衰減規(guī)律進行了分析，如圖5所示.

圖5 預(yù)裂縫后峰值振速隨著爆心距衰減規(guī)律Fig.5 The attenuation law of the peak vibration velocity along with the explosion center distance

由圖5可知，爆破振動的絕大部分衰減發(fā)生在爆源的近區(qū)，隨后衰減速度變慢.由于預(yù)裂縫對爆破地震波的屏蔽作用，使得距離爆源較近時峰值振速較小，原因是預(yù)裂縫的存在.當(dāng)?shù)卣鸩A(yù)傳播到裂縫位置時，由于預(yù)裂縫內(nèi)介質(zhì)——空氣的波阻抗遠遠小于巖石介質(zhì)，所以絕大部分地震波要繞過預(yù)裂縫，通過其底部進入保護區(qū)進行傳播，此過程也增加了地震波的傳播距離，故會存在峰值振速屏蔽區(qū).地震波傳播到保護區(qū)后，峰值振速又緩慢回升，然后隨距離的增加而衰減.因此，在非貫通預(yù)裂縫的前提下，預(yù)裂縫越長,直接傳遞到保護區(qū)的地震波就越少.針對3種工況，得出了隨著預(yù)裂縫長度的增加屏蔽區(qū)也增加的理論.并且,隨著預(yù)裂縫長度的增加，屏蔽效果越來越好.當(dāng)預(yù)裂縫長度為5 m時，峰值振速v=17.63 cm/s;當(dāng)預(yù)裂縫長度為7 m時，峰值振速v=12.49 cm/s;貫通裂隙的峰值振速最小，v=2.73 cm/s.因此，預(yù)裂縫的長度對爆破效果有著重要的影響.

3 結(jié)論

(1)預(yù)裂縫對爆破振動峰值振速有一定的屏蔽區(qū)存在，針對3種工況，屏蔽區(qū)隨著預(yù)裂縫長度的增加而增加且在屏蔽區(qū)內(nèi)峰值振速較小.并且,隨著預(yù)裂縫長度的增加，預(yù)裂縫的減震效果越來越好.

(2)數(shù)值模擬中假定巖體為同性的均質(zhì)體，但在實際工況中巖體存在節(jié)理裂隙.因此，實際工況中的爆破振動衰減更快，故數(shù)值模擬結(jié)果大于實際爆破工況數(shù)值，但對其規(guī)律性無影響.

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Study on the effect of pre-splitting crack length on blasting

ZHANG Yuanjuan1, WANG Xingrong2, WANG Fenghuang2

(1.CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；2.HubeiYihuaMiningCo.,Ltd.,Yichang443000,China)

In order to study the effect of pre-splitting crack length on the blasting, numerical simulation is carried out on the pre-splitting crack of length of 5 meters,17 meters and penetrative cranny using the explicit nonlinear dynamic analysis finite element program LS-DYNA, through the attenuation law of peak vibration of the three kinds of working conditions and numerical simulation results, it is obtained that the longer the pre-splitting crack is, the better the shock absorption effect will be. The shielding area of the pre-splitting crack is affected by the length of pre-splitting crack. The conclusions of this paper have some reference to study pre-splitting blasting and the setting of the blasting parameters.

pre-splitting crack; blasting effect; LS-DYNA; numerical simulation; peak particle velocity

2016-11-12

國家自然科學(xué)基金(51104111)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14B440005)；河南工程學(xué)院博士基金(D2013022)；鄭州市科技攻關(guān)項目(141PPTGG375)

張袁娟(1983-)，女，陜西渭南人，講師，博士，主要研究方向為安全工程.

O38

A

1674-330X(2017)02-0024-04