李建虎

摘要：為了降低爆破對(duì)圍巖的損傷，采用定向控制爆破技術(shù)。通過數(shù)值模擬的結(jié)果，得到定向控制比普通光面爆破效果更好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：圍巖損傷;定向控制;光面爆破;數(shù)值模擬

概述

在隧洞爆破過程中，圍巖往往受到影響：原有的節(jié)理和裂隙發(fā)育并會(huì)產(chǎn)生新的裂隙。在爆破時(shí)面臨兩個(gè)重要問題：一用最有效的方法將巖石進(jìn)行破碎;二降低爆破對(duì)開挖范圍外巖石的損傷，保證爆破后圍巖的穩(wěn)定。光面爆破是設(shè)計(jì)輪廓的方法。

在普通光面爆破中，形成炮孔間貫通裂紋的同時(shí)會(huì)破壞圍巖，輪廓線外圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性被削弱。定向控制爆破技術(shù)中，炮孔內(nèi)裝藥形成的爆炸荷載具備方向性，促使裂紋沿著炮孔間連線方向產(chǎn)生和發(fā)育，圍巖的損傷和擾動(dòng)得到降低，爆破成縫效果明顯。

1控制爆破成縫理論

圍巖裂紋、裂縫的擴(kuò)展情況常常包含亞臨界、臨界、穩(wěn)定擴(kuò)展、終止等狀態(tài)，圍巖裂紋擴(kuò)展速度與其對(duì)應(yīng)的不同擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)一致。

1.1力學(xué)成縫理論

由線性力學(xué)的知識(shí)可知：當(dāng)破壞材料處于受拉狀態(tài)時(shí)，裂紋呈張開狀態(tài)，（I型裂紋），用強(qiáng)度因子KI表示圍巖裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度。由于爆炸作用力是瞬時(shí)應(yīng)力作用的過程，因此，在進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

當(dāng)初始裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為KI時(shí)，則裂紋尖端所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力為σr。當(dāng)外部應(yīng)力越大時(shí)，KI變大，σr也就越隨之變大。當(dāng)σr足夠大時(shí)可使圍巖發(fā)生分離，造成裂紋失穩(wěn)，則圍巖發(fā)生斷裂形成裂縫，此時(shí)強(qiáng)度因子稱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC。

1.2定向控制爆破成縫機(jī)理

光面爆破是巷道掘進(jìn)中必不可少的一種爆破技術(shù)，它是控制爆破中的一種方法。從炮孔壁上初始裂紋形成機(jī)制分析，采用切槽爆破機(jī)理。切槽爆破實(shí)質(zhì)就是將爆破的圓形孔斷面結(jié)構(gòu)改為帶錐形的刻槽孔。結(jié)論表明，在裂紋尖端區(qū)域內(nèi)，θ=0能夠滿足應(yīng)變能密度因子取得極小值Smin的條件，同時(shí)，裂紋將沿θ=0方向擴(kuò)展，初始裂紋在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下將沿原裂紋平面進(jìn)行擴(kuò)展。

2控制爆破數(shù)值模擬研究

LS-DYNA是非線性動(dòng)力分析程序，能夠模擬工程中的復(fù)雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，求解二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸等非線性動(dòng)力沖擊問題更為合適。

2.1材料模型

（1）炸藥材料模型及狀態(tài)方程

高性能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN通常被選用。此材料可以比較準(zhǔn)確的描述炸藥的物理化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)炸藥起爆后，炸藥單元體內(nèi)的壓力用狀態(tài)方程JWL來表示，模擬時(shí)，選用爆破許用三級(jí)乳化炸藥。

（2）空氣材料模型及狀態(tài)方程

空氣的材料模型通常采用空材料模型，用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程來模擬空氣，該狀態(tài)方程的用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述，其內(nèi)能呈線性分布。

空材料模型參數(shù)如表2-1所示：

（3）巖石材料模型及狀態(tài)方程

巖石材料模型采用隨動(dòng)硬化材料模型。

多數(shù)情況下，巖石的狀態(tài)方程選用Gruneisen狀態(tài)方程。

巖石材料為石灰?guī)r，根據(jù)實(shí)測(cè)力學(xué)參數(shù)來測(cè)試結(jié)果進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表2-2。

（4）PVC管材料模型及狀態(tài)方程

PVC管材料模型采用理想彈塑性材料本構(gòu)模型，其材料主要參數(shù)如表2-3所示。

2.2普通光面爆破和定向斷裂爆破數(shù)值模擬對(duì)比

（1）計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模型主要有炸藥、空氣和巖石三部分組成，模型劃分32193個(gè)單元，包括炸藥單元數(shù)為1287個(gè)，空氣單元數(shù)為1200個(gè)，巖石單元數(shù)為29706個(gè)。模型中采用的單位制：長(zhǎng)度-cm，質(zhì)量-g，時(shí)間-μs;導(dǎo)出單位：速度-cm/μs，加速度- cm/μs2，應(yīng)力-Mbar，密度-g/cm3。

在模型上選取九個(gè)有代表性的單元來記錄各個(gè)單元上的應(yīng)力-時(shí)間曲線，具體為：將炮孔連線方向定義為Y軸，垂直于炮孔連線方向定義為X軸。在Y軸上等距的選取四個(gè)代表性的單元，沿X軸選取五個(gè)代表性的單元，通過這些代表性的單元記錄應(yīng)力波擴(kuò)展到中點(diǎn)O時(shí)各單元處的應(yīng)力變化歷程。基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，建立普通光面爆破和周邊孔定向控制爆破計(jì)算模型，得到如下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)，炮孔內(nèi)裝藥爆破后，在形成炮孔間貫通裂隙的同時(shí)，也在炮孔的其它方向造成裂紋，對(duì)圍巖造成破壞。而在定向斷裂爆破技術(shù)中，因?yàn)檫\(yùn)用特殊的裝藥方式，形成的爆炸荷載具有明顯的方向性，促使裂紋在炮孔間連線方向優(yōu)先發(fā)生的發(fā)育，降低了因?yàn)楸茖?duì)圍巖造成的損壞，爆破效果明顯提高。

（2）炮孔連線方向上的爆炸作用力增加，有利于產(chǎn)生初始裂隙及導(dǎo)向裂紋。又因?yàn)槌跏紝?dǎo)向裂紋的存在，從而減少了炮孔裂紋起始方向的隨機(jī)性，有助于改善周邊控制爆破成形質(zhì)量、爆破引起的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）在垂直于炮孔連線方向上，聚能管產(chǎn)生的有效應(yīng)力減小，也降低爆破震動(dòng)效應(yīng)。采用定向控制爆破技術(shù)還可以減少炮孔裝藥量，減少切縫孔數(shù)量，提高炸藥能量利用率。

參考文獻(xiàn)

[1].崔正榮，汪禹儀，海豹，等.深部高地應(yīng)力條件下雙孔爆破巖體損傷數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].爆破，2019，6：59-64.