張大寧 胡銀林 郭連軍 李秀虎 潘 博(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051 )
不耦合裝藥爆破是一種特殊的控制爆破,自上世紀(jì)50年代首次在瑞典被成功應(yīng)用,取得了良好的爆破效果[1]。在以后的幾十年里,世界各國逐漸把不耦合爆破技術(shù)應(yīng)用到礦山邊坡、隧道開挖、水利水電等工程,很好地保護(hù)了礦山邊坡的穩(wěn)定、隧道圍巖的穩(wěn)定和機(jī)電峒室的安全。在實(shí)際工程中,由于地下涌水、自然降水和巖層的滲水等原因,出現(xiàn)了大量的含水炮孔。在這種情況下,炸藥和炮孔壁之間的介質(zhì)由原來空氣介質(zhì)變成水介質(zhì),即是炮孔水介質(zhì)不耦合裝藥。由于水的物理特性不同空氣,其相對于空氣不可壓縮性、密度大,并且水中的聲速遠(yuǎn)大于空氣中的聲速[2]。因此,水不耦合裝藥爆破的發(fā)展過程和傳播規(guī)律與空氣不耦合裝藥爆破的過程和規(guī)律相似不盡相同。
隨著乳化炸藥等各種高猛度的抗水炸藥的出現(xiàn),對水不耦合裝藥爆破的研究逐漸增多,陳士海等人根據(jù)水介質(zhì)的特點(diǎn)[3],進(jìn)行水壓爆破破巖理論的研究,得出水壓爆破孔壁壓力、孔壁圍巖應(yīng)力場、水楔作用及最佳不耦合系數(shù);杜俊林、羅云滾等人對水介質(zhì)不耦合裝藥爆破[4]水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進(jìn)行理論研究,提出正入射情況下孔壁巖石內(nèi)的初始沖擊波壓力;過江等[5]利用ANSYS-DYNA動力有限元程序?qū)諝夂退获詈舷禂?shù)進(jìn)行研究,得出空氣不耦合裝藥有效應(yīng)力衰減較快,空氣不耦合裝藥相對水不耦合裝藥減少裂紋分叉,易形成良好的貫穿裂縫。
由于在實(shí)際工程爆破過程中每一個(gè)炮孔的含水量不盡相同,本研究使用動力有限元分析軟件LS-DNAY,采用JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)損傷本構(gòu)模型建立不同水量條件下不耦合裝藥爆破的雙孔計(jì)算模型,并且結(jié)合了混凝土模型試驗(yàn),研究不同水量下的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對混凝土介質(zhì)的破壞差異。
空氣不耦合裝藥預(yù)裂爆破時(shí),炮孔壁與藥柱之間充滿了空氣,炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波最初作用在炸藥周圍的空氣上,爆轟波在空氣中沿炮孔徑向向外傳播,并與炮孔壁處的巖石產(chǎn)生碰撞,可以假設(shè)爆轟波與炮孔壁處的巖石表面之間產(chǎn)生彈性碰撞,使用彈性和波動理論進(jìn)行求解炮孔壁的初始壓力[6]:
(1)
(2)
(3)
(4)
水不耦合裝藥爆破產(chǎn)生的爆轟沖擊波在炮孔內(nèi)徑向向外傳播,同時(shí)壓縮炸藥周圍的水介質(zhì),使炸藥的爆炸沖擊波峰值得到降低。實(shí)際工程爆破中炮孔裝藥大多采用為柱狀裝藥,水作為不耦合介質(zhì)時(shí),水中爆炸沖擊波傳到孔壁時(shí)的峰值壓力為[7]
(5)
式中,PW是炮孔徑向方向上距離炸藥軸心R處水中沖擊波壓力,MPa;Kd是炮孔裝藥不耦合系數(shù);QC是TNT炸藥藥柱當(dāng)量,kg;QT為所使用炸藥的藥柱量;ρe為使用炸藥的密度,g/cm3。
由于巖石和水是2種不同的介質(zhì),當(dāng)沖擊波到達(dá)水和巖石的交界面時(shí),將產(chǎn)生反射波和透射波,其中透射到炮孔壁上的沖擊波峰值壓力為[8]:
(6)
式中,ρ1D1為沖擊波波速為D1時(shí)水的波阻抗;
(7)
式中,A和β均為常數(shù),A=394 MPa,β=8。
根據(jù)上述理論分析,在炮孔孔徑及不耦合裝藥結(jié)構(gòu)相同的情況下,選用的TNT炸藥參數(shù):ρe=1.65 g/cm3,D=6 900 m/s,ρm=2.8 g/cm3,Cp=5 050 m/s,進(jìn)行空氣和水不耦合裝藥爆破計(jì)算,得出孔壁處巖石的初始沖擊波壓力,結(jié)果如圖1所示。
從圖1可知:①在相同的徑向不耦合系數(shù)條件下,水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的孔壁壓力大于空氣介質(zhì)不耦合裝藥時(shí)的壓力,水介質(zhì)不耦合裝藥炮孔壁的壓力隨著不耦合系數(shù)增大而相對緩慢地減??;不耦合系數(shù)在1~2范圍內(nèi),空氣不耦合裝藥的孔壁壓力急速下降,當(dāng)不耦合系數(shù)大于2時(shí),孔壁壓力緩慢下降;②當(dāng)炮孔孔壁壓力相同時(shí),水介質(zhì)不耦合系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣不耦合系數(shù);③當(dāng)不耦合裝藥系數(shù)相同時(shí),水介質(zhì)不耦合裝藥產(chǎn)生的孔壁壓力遠(yuǎn)大于空氣不耦合裝藥時(shí)的壓力,證明水比空氣具有更好的傳能作用,在相同的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下,水介質(zhì)比空氣介質(zhì)能量利用率高,在炮孔附近形成更強(qiáng)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力,且作用均勻、作用時(shí)間長,因此可以更好地節(jié)約炸藥使用量。
由于炸藥爆炸過程中,混凝土材料受到爆轟波和爆生氣體的聯(lián)合作用,材料內(nèi)部呈現(xiàn)大的應(yīng)變、損傷及破壞等特征。為了更加合理地描述混凝土在爆破中的破壞過程,本研究采用混凝土JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)材料模型?;炷罦HC模型的參數(shù)見表1所示。
表1 JHC混凝土材料本構(gòu)參數(shù)[9]Fig.1 Constitutive parameters of JHC concrete materials
數(shù)值計(jì)算中選擇高能炸藥,高能炸藥的主要參數(shù)設(shè)定如下:ρ0=1.64 g/cm3,D=6 930 m/s,使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系[10]:
(8)
式中,A,B,R1,R2,ω是描述JWL狀態(tài)方程的5個(gè)物理常數(shù),其取值見表2。
表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Table2 Parameters of state equation of dynamite GPa
炸藥爆破過程中,空氣和水材料普遍使用采用EOS_Gruneisen狀態(tài)方程[11]描述:
(γ0+aμ)E0,
(9)
式中,a是γ0和E0的一階修正量體積;μ=ρe/ρ0-1;ρ0,C,S1,S2,S3,γ0,E0等參數(shù)取值見表3、表4所示。
表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Parameters of state equation of air
表4 水狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 Parameters of state equation of water
不同水量不耦合裝藥計(jì)算模型如圖2、圖3所示,本研究建立實(shí)體模型,材料使用3種物質(zhì):炸藥、混凝土、約束介質(zhì)(空氣、水),炮孔直徑為15 mm,裝藥直徑為5 mm,炮孔間距為120 mm,裝藥長度為100 mm,填塞長度為100 mm。為了簡化計(jì)算,填塞部分與混凝土材料相同。為了可視化和減少運(yùn)算量,本研究建立1/2模型作為研究對象。炸藥、空氣、水與混凝土4種介質(zhì)單元均使用3D SOLID164單元,模型簡化成一個(gè)單元厚度的三維模型,混凝土使用Lagrange算法,炸藥與約束介質(zhì)(空氣、水)采用多物質(zhì)ALE算法,混凝土與約束介質(zhì)(空氣或水)之間采用流固耦合算法。
圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model
圖3 不同水量裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Charge structure of different water yield
為了研究不同水量下預(yù)裂爆破的炮孔孔壁壓力,依次在孔壁上選取距離其底部為2.5、5.0、7.5 cm處的單元點(diǎn)(分別在圖3選取3個(gè)炮孔距離)進(jìn)行研究。
由圖4可知,在相同的裝藥條件下,干孔孔壁的變形明顯小于含水炮孔孔壁變形;空氣-水混合炮孔中,含水段炮孔孔壁變形大于空氣段的變形,由此表明含水炮孔的孔壁粉碎區(qū)面積大于干孔的粉碎區(qū)面積,不利于預(yù)裂縫的形成。
圖4 相同時(shí)刻不同水量下的損傷破壞分布(30 μs)Fig.4 Damage distribution of different water levels at the same time
不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力如表5所示。
表5 不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力Table 5 Unit pressure of hole wall of uncoupled charge blasting under different water yield
由表5可知,①同一種介質(zhì)的連續(xù)不耦合裝藥預(yù)裂爆破,在炮孔壁不同單元產(chǎn)生幾乎相同的炮孔壁壓力;②在相同不耦合裝藥條件下,不同的不耦合介質(zhì)的炮孔壁壓力差別很大,全水不耦合裝藥炮孔孔壁壓力最大,并且遠(yuǎn)大于空氣不耦合、水與空氣混合不耦合裝藥的孔壁壓力;③在水與空氣混合不耦合裝藥的炮孔中,含水部分孔壁壓力大于空氣部分孔壁壓力,空氣和水的交界面為孔壁壓力的轉(zhuǎn)折點(diǎn);④水與空氣混合不耦合裝藥時(shí),含水部分孔壁壓力遠(yuǎn)小于相同位置全水炮孔孔壁壓力,但是大于相同位置全空氣炮孔孔壁的壓力。因此,在相同裝藥結(jié)構(gòu)條件下,爆炸時(shí)水中沖擊波峰值壓力遠(yuǎn)大于空氣中的峰值壓力,導(dǎo)致預(yù)裂爆破時(shí)炮孔附近的介質(zhì)表面平整度較差,不利于預(yù)裂縫的形成。
距離炮孔底部不同位置有效應(yīng)力衰減曲線如圖5所示。
從圖5可以看出:①從炮孔壁到炮孔連心線中點(diǎn),全水炮孔的有效應(yīng)力遠(yuǎn)大于干孔、水與空氣混合炮孔的有效應(yīng)力;②空氣與水混合不耦合裝藥時(shí),含水段的有效應(yīng)力大于空氣段的有效應(yīng)力,有效應(yīng)力變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在空氣和水的交界面處;③水與空氣混合不耦合裝藥時(shí),空氣段的有效應(yīng)力與相同位置全空氣炮孔的有效應(yīng)力相差不大;④空氣與水混合不耦合裝藥時(shí),含水段的有效應(yīng)力大于同部位全空氣炮孔的有效應(yīng)力,但是小于相同位置全水炮孔的有效應(yīng)力。說明水相對于空氣具有良好的儲能量和傳到能量作用,在相同的裝藥結(jié)構(gòu)情況下,水不耦合的有效應(yīng)力遠(yuǎn)大于空氣不耦合,嚴(yán)重影響到了預(yù)裂縫的形成和預(yù)裂面的平整度。
圖5 不同位置有效應(yīng)力衰減曲線Fig.5 Effective stress attenuation curve at different locations■—干孔;●—25%水量;▲—50%水量;▼—75%水量;◆—100%水量
試驗(yàn)?zāi)P筒捎?25#硅酸鹽水泥和篩分后的細(xì)河砂澆筑而成,水、水泥和細(xì)砂的質(zhì)量配比為1∶2∶6,常溫下在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)28 d,儲存60 d?;炷聊P蜑?0 cm的正方體,在模型中心線上預(yù)留2個(gè)相同的炮孔,炮孔直徑為1.5 cm,炮孔間距為12 cm,炮孔深度為10 cm。試驗(yàn)采用工業(yè)瞬發(fā)電雷管(0.4 g),反向起爆5 m長度的導(dǎo)爆索(0.6 g),實(shí)際每孔裝藥量為1.0 g。試驗(yàn)分別采用干孔、水柱為2.5 cm、水柱為5 cm,水柱為7.5 cm、水柱為10 cm的5種情況,填塞長度均為10 cm。其爆破效果如圖6所示。
從圖6中可以看出:①干孔和25%水量的炮孔取得良好的爆破效果,半孔比較完整,預(yù)裂面較平整,采用空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破,炸藥和炮孔壁之間充滿空氣介質(zhì),爆轟產(chǎn)物經(jīng)過空氣介質(zhì)后,降低了炮孔壁上的應(yīng)力峰值,可以有效地減小炮孔壁處巖石的過粉碎,擴(kuò)大裂隙區(qū)范圍;②含水量為50%、75%和100%的炮孔,隨著水量的增加,爆破效果越來越差,水介質(zhì)不耦合裝藥爆破時(shí),由于水介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)不可壓縮,同時(shí)水介質(zhì)具有良好的傳遞能量的作用,炮孔壁上的應(yīng)力峰值壓力未能得到有效降低,炮孔壁產(chǎn)生較大范圍的粉碎區(qū)。因此,不同水量下不耦合裝藥爆破時(shí),隨著水量的增加,混凝土表面的平整度逐漸降低。
(1)全水不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的初始應(yīng)力大于全空氣(不耦合裝藥)、空氣與水混合不耦合裝藥(條件下的初始應(yīng)力,同時(shí)空氣與水混合不耦合裝藥時(shí),含水段孔壁壓力明顯高于空氣段孔壁壓力。
(2)水和空氣的相同不耦合裝藥時(shí),炮孔連心線上的Von Miss 應(yīng)力差別很大,水不耦合的Von Miss應(yīng)力是空氣不耦合的2~3倍。
(3)裝藥條件相同,空氣不耦合會形成更好的預(yù)裂面;水不耦合會造成炮孔壁周圍巖石形成較大的粉碎區(qū);水與空氣混合不耦合裝藥時(shí),隨著炮孔中水量的增加,爆破后的預(yù)裂面平整度越差。
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圖6 不同水量不耦合裝藥爆破效果Fig.6 Blasting effect of uncoupled charge with different water yield
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