李洪偉,雷 戰(zhàn),劉 偉,江向陽,王 貴

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南232001;2.內(nèi)蒙古康寧爆破有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000)

鉆孔裝藥是現(xiàn)代爆破技術(shù)常用的技術(shù)手段,尤其是礦山深孔爆破,目前已經(jīng)形成了毫秒延時爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破、擠壓爆破等技術(shù)。但這些爆破技術(shù)均涉及到起爆方式的選擇問題,尤其在采用柱狀裝藥方式時,起爆點(diǎn)的位置不僅決定著炸藥起爆后爆轟波的傳播方向,同時也決定著爆炸應(yīng)力波的傳播方向以及爆生氣體的作用時間[1-3]。因此研究起爆點(diǎn)的位置對巖石爆破效果影響的意義重大。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于不同起爆方式下巖石鉆孔裝藥爆破的特性做了大量研究。劉殿書等[4]采用損傷模型理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了起爆方式對巖石爆破破碎過程的影響,研究結(jié)果表明:起爆方式不僅影響爆破效果,而且對爆破漏斗的發(fā)展過程和巖石介質(zhì)的破壞形式也有一定的影響。顧文彬等[5]采用非線性有限元法,研究了不同起爆方式下圓柱形裝藥爆炸時殼體的動力學(xué)響應(yīng)問題。M.F.Drukovanyi等[6]基于準(zhǔn)靜態(tài)理論建立了柱形裝藥的爆腔預(yù)測模型,該模型給出了均勻、不可壓縮的無限彈性介質(zhì)下柱形裝藥爆炸形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)半徑的解析表達(dá)式。向文飛等[7]采用Starfield迭加法與動力有限元法,研究了起爆方式對條形藥包爆炸應(yīng)力場的影響,研究結(jié)果表明,起爆點(diǎn)數(shù)量與位置對條形藥包爆炸應(yīng)力場的分布有重要影響。劉明濤等[1]利用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件研究了不同起爆方式下,內(nèi)部炸藥對金屬柱殼膨脹斷裂的加載歷程差別。

上述研究在理論分析和數(shù)值模擬分析方面,為巖石在不同起爆方式下的破壞過程提供了重要參考價值,但缺乏理論與實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的綜合驗(yàn)證與分析。本文介紹了通過單炮孔混凝土爆破模擬實(shí)驗(yàn),利用高速攝影對不同起爆方式下的混凝土試塊裂紋擴(kuò)展情況以及試塊的爆腔和破碎效果進(jìn)行了研究,并闡述了基于大型動力學(xué)分析軟件ANSYS/LS-DYNA對混凝土爆破損傷過程的數(shù)值模擬,為充分分析、研究不同起爆方式下巖石的爆破過程提供了參考,對工程實(shí)踐具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 模型建立

實(shí)驗(yàn)所需混凝土模型是以水泥、河砂和水按照1∶2∶0.7的質(zhì)量配比制作而成?？紤]到炮孔裝藥直徑、裝藥深度、填塞高度以及模型制作的難易程度,在本實(shí)驗(yàn)中,取試件長(a)50 cm,寬(b)50 cm,高(h)36 cm,孔徑(d)6 mm,裝藥高度(L2)10 cm,填塞高度(L1)6 cm(見圖1)。實(shí)驗(yàn)采用的炸藥為1.0 g鈍化黑索金(RDX)和0.3 g二硝基重氮酚(DDNP),目的是用DDNP起爆鈍化的RDX。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1)混凝土試樣參數(shù)。單炮孔混凝土爆破實(shí)驗(yàn)中,研究不同起爆方式對巖石柱狀裝藥爆破作用影響的混凝土試樣參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土試樣相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of concrete sample

2)炸藥參數(shù)。RDX炸藥的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 RDX炸藥參數(shù)Table 1 Parameters of RDX explosive

1.3 巖石柱狀裝藥爆破實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同起爆方式下巖石裂紋擴(kuò)展分析

為了更加清晰直觀的觀察混凝土在炸藥爆炸作用下裂紋的擴(kuò)展情況,采用日本生產(chǎn)的Decametre HX-3型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝(見圖2),實(shí)驗(yàn)選用拍攝幀率為10 000幅/s;分辨率640 PPI×640 PPI;拍攝時間3.3 s。

圖2 Memrecam HX-3型高速攝像機(jī)Fig.2 Memrecam HX-3 high speed camera

1)工況1。正向起爆方式下混凝土試塊的裂紋擴(kuò)展情況如圖3所示。

圖3 正向起爆混凝土試塊裂紋擴(kuò)展Fig.3 Crack growth of positive detonation concrete test block

由于炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆轟壓力遠(yuǎn)大于混凝土介質(zhì)的抗壓強(qiáng)度,從圖3可以看出,在孔口附近先產(chǎn)生微小細(xì)長的裂紋[8]。產(chǎn)生上述現(xiàn)象是由于裂紋尖端的有限塑性,以及隨著炮孔間距的增大,拉應(yīng)力在巖石中占主導(dǎo)地位,從而導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步延伸擴(kuò)展。最后在爆生氣體的氣楔作用下裂紋擴(kuò)展成為明顯的裂縫,這與巖石爆破理論基本一致[9-10]。

2)工況2。反向起爆方式下混凝土的裂紋擴(kuò)展情況如圖4所示。

圖4 反向起爆混凝土試塊裂紋擴(kuò)展Fig.4 Crack growth of reverse detonation concrete test block

由圖4可知,反向起爆混凝土試塊破碎更加充分,裂紋條數(shù)更多,混凝土試塊碎塊度更小,這說明在巖石性質(zhì)和炸藥相同的情況下,反向起爆的效果優(yōu)于正向起爆。

3)工況3。炮孔中部起爆方式下混凝土試塊的裂紋擴(kuò)展情況如圖5所示。

語文實(shí)踐活動是語文教學(xué)不可分割的一部分。開展有計劃、有針對性的語文實(shí)踐活動，有利于激發(fā)學(xué)生語文學(xué)習(xí)的興趣。

圖5 中部起爆混凝土試塊裂紋擴(kuò)展Fig.5 Crack growth of middle detonation concrete test block

通過對比可知,炮孔中部起爆混凝土試塊產(chǎn)生的裂紋條數(shù)以及破碎塊度介于正向起爆和反向起爆之間,破碎效果優(yōu)于正向起爆而低于反向起爆。

經(jīng)測試,巖石的縱波速度為2 551 m/s,混凝土試塊裂隙平均擴(kuò)展速度v如表3所示。

表3 混凝土試塊裂隙擴(kuò)展平均速度Table 3 Average crack expansion velocity of concrete test block

由表3可知,3種工況下混凝土試塊裂隙擴(kuò)展平均速度v分別為巖石縱波速度Cp的0.41倍、0.48倍和0.38倍,根據(jù)杜良奈(Dulaneg)的研究,裂隙傳播的速度vα的計算公式[11]如下:

式中:k為比例系數(shù);E為彈性模數(shù);ρ為巖石密度;α0、α1為原有的和新生的裂隙長度的一半。

在裂隙傳播的過程中,裂隙傳播速度隨著α1(新生裂隙長度的一半)的增大而增大,當(dāng)α1?α0時,可得到裂隙傳播擴(kuò)展的極限速度vT:

式中:k為比例系數(shù);E/ρ為巖石的縱波速度。

與杜良奈(Dulaneg)研究認(rèn)為的vT=0.38 Cp基本一致。

2.2 不同起爆方式下巖石爆腔擴(kuò)展分析

炸藥爆轟過程是一個瞬間過程,由于各種能量耗散機(jī)制的作用,能量在傳遞過程中不斷衰減。在此過程中,由于爆炸產(chǎn)物膨脹形成的極高爆炸壓力要沖擊、壓縮其周圍介質(zhì),從而使炮孔壁面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生位移,就會形成高速運(yùn)動擴(kuò)展的爆炸空腔[12-14]。

基于文獻(xiàn)[6]給出的炸藥裝藥爆腔形成的準(zhǔn)靜態(tài)模型理論,爆壓pm在最大的爆腔內(nèi)為

根據(jù)絕熱定律,爆腔上的壓力關(guān)系為

式中:?為內(nèi)摩擦因數(shù);k為內(nèi)聚力;α0為裝藥半徑;p0為初始爆炸瞬間壓力;γ為炸藥膨脹指數(shù);σ0為巖石抗拉強(qiáng)度;σ*為巖石抗壓強(qiáng)度;μ為拉梅系數(shù)。

3種起爆方式下混凝土試塊爆腔擴(kuò)展情況如圖6所示,爆腔最大擴(kuò)展半徑的測量結(jié)果如表4所示,其中實(shí)測爆腔最大半徑與裝藥半徑的比值范圍在3.0～3.3之間。通過對比分析可知,反向起爆方式下巖石爆腔擴(kuò)展半徑最大,爆腔擴(kuò)展形狀呈“錐”形;正向起爆方式和炮孔中部起爆方式下混凝土試塊爆腔擴(kuò)展半徑基本一致,爆腔擴(kuò)展形狀呈“圓臺”形。這是由于反向起爆方式下,炸藥起爆后,由于周圍介質(zhì)壓力較大,炸藥能量未能及時釋放,在向炮孔頂部傳播的過程中,集聚的能量在受到較小的介質(zhì)壓力時會突然釋放,從而致使混凝土試塊爆腔形狀不同于正向起爆和炮孔中部起爆。

圖6 不同起爆方式下混凝土試塊爆腔擴(kuò)展情況Fig.6 Blasting cavity expansion of concrete test block under different detonation modes

表4 混凝土試塊爆腔半徑Table 4 Blasting cavity radius of concrete test block(mm)

2.3 不同起爆方式下巖石爆破的數(shù)值模擬

2.3.1 模型的建立

炸藥在巖石中爆炸會引起巖體發(fā)生大變形甚至斷裂破壞,根據(jù)此特性選用多物質(zhì)Euler材料和Lagraner結(jié)構(gòu)相耦合的算法[15-16],炸藥為歐拉算法,巖石為拉格朗日算法,同時鑒于模型的對稱性,建立1/2計算模型。

1)炸藥材料模型。在ANSYS/LS-DYNA中選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料定義炸藥爆轟模型,同時選用JWL狀態(tài)方程,具體表述為

式中:p為爆轟產(chǎn)物內(nèi)部壓力;V為爆轟產(chǎn)物相對體積;E0為初始比內(nèi)能;A、B、R1、R2、ω為與炸藥有關(guān)的常數(shù)。

炸藥相關(guān)參數(shù):炸藥密度ρ=1 800 kg/m3,爆速D=8 728 m/s,爆轟壓力pCJ=33.85 GPa,A=214,B=0.093,R1=4.15,R2=0.95,ω=0.3。

2)巖石材料模型。在靠近爆炸中心的區(qū)域,巖石中激起的應(yīng)力波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于巖石的動態(tài)抗壓強(qiáng)度,從而使得炮孔周圍的巖石處于塑性狀態(tài),并且工程實(shí)踐中巖石的加載應(yīng)變率ε·在100～105s-1之間,應(yīng)變率效應(yīng)明顯,塑性硬化模型本構(gòu)簡單,巖石參數(shù)易于獲取,故采用含應(yīng)變率效應(yīng)的塑性硬化模型比較合適[17-18]。

因此巖石選用ANSYS/LS-DYNA自帶的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,該模型中應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來表示,用與應(yīng)變率有關(guān)的函數(shù)表示屈服應(yīng)力:

式中:σ0為巖石初始屈服應(yīng)力;為應(yīng)變率;C和p為應(yīng)變率參數(shù)為巖石有效塑性應(yīng)變;β為硬化參數(shù),0≤β≤1;Ep為巖石塑性硬化模量,Ep的表達(dá)式如下:

式中:Etan為切線模量;E0為楊氏模量。

2.3.2 模擬結(jié)果與分析

1)工況1。正向起爆方式下混凝土試塊損傷過程如圖7所示。

圖7正向起爆方式下混凝土試塊損傷過程Fig.7 Damage process of concrete test block under positive detonation

由圖7(a～b)看出,爆轟波由孔口沿著炮孔軸線方向傳播,且在垂直于炮孔軸線方向上的應(yīng)力波在巖石中衰減迅速。當(dāng)炸藥爆轟結(jié)束后,應(yīng)力波作用于與炸藥藥卷接觸的底部巖石上,由爆炸應(yīng)力波疊加形成的高壓應(yīng)力波開始向兩側(cè)傳播并逐漸衰減,最終在巖石內(nèi)部形成一個類似橢圓形的損傷范圍和圓臺形的爆腔區(qū)(見圖7(c～d))。

2)工況2。反向起爆方式下巖石損傷過程如圖8所示。

圖8 反向起爆方式下混凝土試塊損傷過程Fig.8 Damage process of concrete test block under reverse detonation

由圖8(a～b)可以看出,爆轟波由炮孔底部沿著炮孔軸線方向傳播,和工況1相比,在孔底起爆方式下,爆炸應(yīng)力波疊加形成的高壓應(yīng)力波會首先在炮孔底部產(chǎn)生較大的損傷區(qū),且隨著在垂直于炮孔軸線方向上的應(yīng)力波在巖石中衰減迅速,最終會在巖石中形成一個類似橢圓形的損傷范圍和錐形的爆腔區(qū)(見圖8(c～d))。

3)工況3。中部起爆方式下巖石損傷過程如圖9所示,和工況1、2相比,爆炸應(yīng)力波明顯的沿著炮孔軸線向孔口和孔底傳播(見圖9(a～b))。當(dāng)爆轟波傳播至炮孔底部后,由爆炸應(yīng)力波疊加形成的高壓應(yīng)力波開始向兩側(cè)傳播并逐漸衰減,最終在巖石內(nèi)部形成一個類似橢圓形的損傷范圍和圓臺形的爆腔區(qū)(見圖9(c～d)),此過程和工況1的損傷破壞過程類似。

圖9 中部起爆方式下混凝土試塊損傷過程Fig.9 Damage process of concrete test block under middle detonation mode

3 結(jié)語

1)使用高速攝影技術(shù)對巖石在3種不同起爆方式下破碎過程的拍攝結(jié)果發(fā)現(xiàn),反向起爆相對于正向起爆和炮孔中部起爆,裂紋擴(kuò)展速度分別提高了17.1%和26.3%,且反向起爆巖石破碎程度更充分。

2)炮孔正向起爆、反向起爆和中部起爆爆腔形狀分別為圓臺形、錐形、圓臺形,3種起爆方式下巖石爆腔實(shí)測半徑(rmax)與裝藥半徑(r)的比值范圍在3.0～3.33之間。

3)通過使用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬表明,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,對工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。