朱 寬，鐘冬望，周桂松,2

(1.武漢科技大學(xué)，武漢 430000；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán) 易普力股份有限公司，重慶 401121； 3.葛洲壩易普力(湖南)科技有限公司，瀏陽(yáng) 410300)

在巖土工程爆破中，炮孔堵塞是影響爆破效果十分重要的因數(shù)之一。堵塞材料的組成、性質(zhì)、堵塞長(zhǎng)度、堵塞質(zhì)量等均會(huì)對(duì)爆轟波的傳播、爆生氣體作用時(shí)間、巖石中應(yīng)力波傳播規(guī)律產(chǎn)生重要影響[1,2]。因此，炮孔堵塞問(wèn)題一直備受學(xué)者和爆破作業(yè)人員關(guān)注，并進(jìn)行了大量的理論研究與工程試驗(yàn)，取得了一定的工作進(jìn)展。研究表明，在不同的條件下通過(guò)炮孔堵塞能提高爆破效果10%～50%，A H 哈努卡耶夫證明[3]，當(dāng)采用堵塞時(shí)巖體中應(yīng)力波的比爆破時(shí)沒(méi)有堵塞的同樣藥包要大一倍，Φ A 巴烏姆根據(jù)理論研究得出堵塞能使傳給孔壁的全部爆炸沖量增加20%。羅勇、沈兆武通過(guò)理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出炮孔合理堵塞長(zhǎng)度為ls=(0.63～0.88)W，或ls=(16.2～22.7)db，這時(shí)爆破效果穩(wěn)定，破碎塊度容易控制[4]，而理論計(jì)算所得到的結(jié)論為ls=(0.73～0.80)W，或ls=(18.8～20.1)db。唐中華、張志呈認(rèn)為合理選擇堵塞物類(lèi)型和粒度組成[5]，可以使所需要的堵塞量降低41%，且用粒度約為炮孔直徑1/25的堵塞材料封閉藥包時(shí)效果最好。寧遠(yuǎn)思、閆春嶺采用水-土復(fù)合填塞炮孔代替純炮泥填塞炮孔[6]，試驗(yàn)得到利用水的不可壓縮性和炮泥的填塞作用，可減少?zèng)_擊波在傳播過(guò)程中的衰減，相對(duì)延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，提高巖石的破碎度和炸藥的有效能量利用率。長(zhǎng)沙礦冶研究院在花崗巖和磁鐵礦中測(cè)出在孔徑250 mm、孔深13～16 m、裝藥長(zhǎng)度7～11 m、堵塞長(zhǎng)2～7.5 m工況下的堵塞物沖出速度[7]，測(cè)得平均沖出速度為2.4～26.4 m/s，局部可高達(dá)45～55 m/s。當(dāng)堵塞長(zhǎng)度為2 m時(shí)，即堵塞長(zhǎng)度與孔徑比ls/d=8時(shí)，堵塞物明顯沖出。丁希平等人采用三維有限元數(shù)值分析法[8]，通過(guò)建立三維有限元計(jì)算模型，分析堵塞長(zhǎng)度對(duì)堵塞區(qū)有效應(yīng)力場(chǎng)的影響，得出深孔臺(tái)階爆破有效應(yīng)力場(chǎng)呈近似橢球狀分布，炮孔兩端具有明顯的端部效應(yīng)，臺(tái)階爆破堵塞區(qū)有效應(yīng)力場(chǎng)隨堵塞長(zhǎng)度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，堵塞長(zhǎng)度不宜低于2/3抵抗線。

目前，關(guān)于堵塞材料、堵塞長(zhǎng)度、堵塞作用機(jī)理等方面的研究均已非常深入，然而鮮有關(guān)于堵塞結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。在此，筆者提出了一種空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，論證了研究的該結(jié)構(gòu)對(duì)于改善爆破效果的優(yōu)越性。

1 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)的提出

空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)是基于空氣間隔裝藥的機(jī)理提出[9]，它是將原來(lái)的連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)調(diào)整為多段空氣間隔不連續(xù)的堵塞段組成。當(dāng)炮孔內(nèi)炸藥爆炸時(shí)，爆轟波傳入底部堵塞段后形成沖擊波，使堵塞段發(fā)生壓縮變形和運(yùn)動(dòng)，在巨大的沖擊力的作用下，堵塞物的顆粒發(fā)生相互錯(cuò)移，產(chǎn)生新的粘結(jié)力，出現(xiàn)永久性的壓縮變形。壓縮時(shí)，堵塞物發(fā)生側(cè)向膨脹，又由于孔壁約束堵塞物的徑向膨脹，這樣堵塞物產(chǎn)生了一巨大的側(cè)向壓力阻礙堵塞物運(yùn)動(dòng)。另一方面，沖擊波在巖屑堵塞段逐步轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波，并進(jìn)一步傳播到空氣間隔段后形成空氣沖擊波，空氣沖擊波發(fā)生快速衰減。當(dāng)空氣沖擊波經(jīng)過(guò)第二段巖屑堵塞段時(shí)，第二段堵塞物發(fā)生與第一段堵塞物同樣的變形和運(yùn)動(dòng)，但經(jīng)過(guò)前一段空氣間隔段的衰減后初始運(yùn)動(dòng)速度已大幅度降低。經(jīng)過(guò)幾段空氣間隔衰減后，作用于最上部巖屑堵塞段的力已非常有限，因而不會(huì)發(fā)生沖孔現(xiàn)象。采用上述結(jié)構(gòu)，可有效提高爆轟產(chǎn)物的作用時(shí)間，同時(shí)，伴隨著下部堵塞物的運(yùn)動(dòng)，可調(diào)整能量分布，使炸藥爆破作用范圍向孔口填塞段上移，從而降低孔口段爆破大塊率問(wèn)題。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 理論模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，堵塞段長(zhǎng)度一般取炮孔深度的1/3左右。為便于比較空氣間隔堵塞與巖屑連續(xù)堵塞爆破效果差異，分別取炮孔直徑為φ200 mm，炮孔深度為15 m，模型大小為500 cm×500 cm×1500 cm，如圖1所示，兩種工況下堵塞參數(shù)如表1所示。借助ANSYS/LS-DYNA研究?jī)煞N工況下的爆破效果差異，采用cm-g-μs單位制分別建立空氣間隔堵塞模型與巖屑連續(xù)堵塞模型。為便于網(wǎng)格劃分和計(jì)算，建立1/4模型減小單元數(shù)量加速計(jì)算過(guò)程。模型邊界定義如下：上邊界為自由邊界無(wú)需定義；藥柱所在2個(gè)側(cè)面定義為對(duì)稱邊界，并將下底面定義為固定約束，防止底部單元發(fā)生畸變；下底面和另外2個(gè)側(cè)面定義為無(wú)反射邊界，防止應(yīng)力波在邊界上發(fā)生反射。模型使用SOLID164單元按照共節(jié)點(diǎn)方式建立實(shí)體模型，圖2。為防止單元網(wǎng)格在爆炸過(guò)程中發(fā)生畸變，使用多物質(zhì)組(用關(guān)鍵字ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP控制)ALE算法進(jìn)行計(jì)算。起爆方式均采用孔底起爆[10-14]，為確保記錄整個(gè)爆破過(guò)程，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取5000 μs。

圖1 計(jì)算模型示意圖(單位：cm)Fig. 1 The model for calculation(unit:cm)

表1 爆破堵塞參數(shù)Table 1 Stemming parameter

2.2 材料模型及參數(shù)

2.2.1 炸藥及其狀態(tài)方程

炸藥采用高能炸藥模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)，用JWL狀態(tài)方程來(lái)描述爆炸過(guò)程爆轟產(chǎn)物的壓力、體積及能量特性

(1)

式中：Peos為由JWL狀態(tài)方程決定的壓力；V為相對(duì)體積；E0為初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2和ω為描述JWL方程的5個(gè)獨(dú)立物理常數(shù)[15]，2#巖石乳化炸藥的參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 炸藥參數(shù)Table 2 Explosive parameters

2.2.2 巖石材料模型

(2)

其中

Ep=E0/Etan/(E0-Etan)

(3)

表3 巖石力學(xué)特性參數(shù)Table 3 Rock mechanics parameters

2.2.3 堵塞材料模型

炮孔充填材料選用SOID_AND_FOAM材料模型，該材料模型具有流體性質(zhì)，其主要用于模擬土或泡沫材料被限制在結(jié)構(gòu)中或有幾何邊界的情況。該材料模型在負(fù)壓狀態(tài)下的體積應(yīng)變是相對(duì)體積的自然對(duì)數(shù)，其中壓力在壓縮狀態(tài)下為負(fù)，相對(duì)體積是當(dāng)前體積與計(jì)算開(kāi)始前的初始體積之比。模型的塑性屈服極限函數(shù)根據(jù)應(yīng)力偏量第二不變量J2表述

φ=J2-(a0+a1p+a2p2)

(4)

表4 充填物力學(xué)參數(shù)Table 4 Stemming material parameters

2.2.4 空氣間隔材料模型

空氣間隔段主要成分為空氣，空氣用NULL模型及LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程加以描述。線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程為

(5)

式中：P為爆轟壓力；E為單位體積內(nèi)能；V為相對(duì)體積。當(dāng)線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程用于空氣模型時(shí)：C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。空氣的密度取為1.225 kg/m3，初始相對(duì)體積V取1.0。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 目標(biāo)單元的選取

為分析兩種裝藥結(jié)構(gòu)下在裝藥段爆破效果的差異，沿著YZ面在z=0 cm、z=500 cm、z=1000 cm位置各在y=10 cm(孔壁位置)、y=250 cm、y=500 cm取 3點(diǎn)共計(jì)9個(gè)單元，比較兩種工況下單元的應(yīng)力時(shí)程曲線，單元命名及分布如圖3所示。為分析兩種裝藥結(jié)構(gòu)下在堵塞段爆破效果的差異，沿著YZ面針對(duì)巖屑堵塞段(z=1025 cm、z=1175 cm、z=1325 cm、z=1475 cm)以及空氣堵塞段(z=1100 cm、z=1250 cm、z=1400 cm)位置各在y=10 cm(孔壁位置)、y=250 cm、y=500 cm取3個(gè)目標(biāo)單元，比較兩種工況下單元的應(yīng)力時(shí)程曲線。為便于分析，對(duì)各目標(biāo)單元按照腳標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，單元分布及編號(hào)如圖4所示。

圖3 裝藥段目標(biāo)單元分布Fig. 3 Target unit distribution of charge segment

圖4 堵塞段目標(biāo)單元分布Fig. 4 Target unit distribution of stemming segment

3.2 裝藥段應(yīng)力分析

連續(xù)堵塞在裝藥段不同位置單元的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5所示，空氣間隔堵塞在裝藥段不同位置單元的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6所示。

圖5 連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 5 Stress distribution of continuous stemming structure

對(duì)比圖5(a)和圖6(a)，在y=10 cm位置三個(gè)目標(biāo)單元M11、M21、M31單元應(yīng)力峰值從700 MPa、1400 MPa、1200 MPa分別下降到500 MPa、500 MPa、350 MPa，說(shuō)明在孔壁位置的單元受空氣影響最大應(yīng)力峰值明顯降低。

圖6 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 6 Stress distribution of air deck stemming blasting structure

對(duì)比圖5(b)和圖6(b)，在y=250 cm位置三個(gè)目標(biāo)單元M12、M22、M32的應(yīng)力峰值依次為連續(xù)堵塞70 MPa、120 MPa、120 MPa變?yōu)榭諝忾g隔堵塞70 MPa、130 MPa、110 MPa。在底部的峰值低于上部和中部主要是考慮防止單元發(fā)生畸變?nèi)藶樵诘撞渴┘恿斯潭s束的影響，而從其它兩個(gè)位置的峰值來(lái)看兩種工況下在該位置的應(yīng)力峰值并無(wú)明顯差異。

對(duì)比圖5(c)和圖6(c)，在y=500 cm位置三個(gè)目標(biāo)單元M13、M23、M33的應(yīng)力峰值分別為連續(xù)堵塞50 MPa、75 MPa、70 MPa，變?yōu)殚g隔堵塞50 MPa、82 MPa、70 MPa，該結(jié)論與在y=250 cm位置得到的結(jié)論一致。

3.3 巖屑堵塞段應(yīng)力分析

由圖7(a)，在y=10 cm位置，4個(gè)目標(biāo)單元(E11、E31、E51、E71)的有效應(yīng)力峰值依次為70 MPa、22 MPa、12 MPa、12 MPa。由圖8(a)可知，工況b相應(yīng)位置單元峰值依次為90 MPa、30 MPa、10 MPa、9 MPa。從數(shù)據(jù)來(lái)看空氣堵塞結(jié)構(gòu)在巖屑堵塞段對(duì)于孔壁位置單元在靠近裝藥部分的峰值強(qiáng)度有一定增強(qiáng)作用，但對(duì)于靠近孔口部分的峰值有所削弱。

由圖7(b)，在y=250 cm位置，工況a的4個(gè)目標(biāo)單元(E12、E32、E52、E72)的有效應(yīng)力峰值依次為80 MPa、45 MPa、50 MPa、80 MPa。由圖8(b)可知，工況b相應(yīng)位置單元峰值依次為90 MPa、40 MPa、45 MPa、55 MPa。結(jié)果表明在離炮孔中心250 cm位置，僅在緊鄰裝藥段位置應(yīng)力峰值有增強(qiáng)，其它位置均略有削弱。

由圖7(c)，在y=500 cm位置，工況a的4個(gè)目標(biāo)單元(E13、E33、E53、E73)的有效應(yīng)力峰值依次為55 MPa、43 MPa、25 MPa、21 MPa。由圖8(c)可知，工況b應(yīng)力峰值依次為49 MPa、42 MPa、38 MPa、20 MPa。結(jié)果表明除E53應(yīng)力峰值略有增加外，其余單元應(yīng)力峰值均略有削減。

圖7 連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 7 Stress distribution of continuous stemming structure

圖8 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distribution of air deck stemming blasting structure

3.4 空氣堵塞段應(yīng)力分析

對(duì)于空氣堵塞部分，在y=10 cm位置3個(gè)目標(biāo)單元(E21、E41、E61)的有效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9(a)、圖10(a)所示。工況a的應(yīng)力峰值依次為360 MPa、210 MPa、120 MPa，工況b的應(yīng)力峰值依次為280 MPa、80 MPa、50 MPa。結(jié)果來(lái)看，雖然在該位置工況b的三個(gè)單元應(yīng)力峰值均明顯減少，但是曲線形狀來(lái)看，有效應(yīng)力作用時(shí)間卻明顯增加，說(shuō)明空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)對(duì)改善該位置爆破效果有一定作用。

在y=250 cm位置3個(gè)目標(biāo)單元(E22、E42、E62)的有效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9(b)、圖10(b)所示。工況a的應(yīng)力峰值依次為62 MPa、42 MPa、61 MPa，工況b的應(yīng)力峰值依次為61 MPa、50 MPa、51 MPa。結(jié)果表明兩種工況下應(yīng)力峰值差別不大，工況b峰值略有削減，但有效作用時(shí)間明顯增加。

在y=500 cm位置3個(gè)目標(biāo)單元(E23、E43、E63)的有效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9(c)、圖10(c)所示。工況a的應(yīng)力峰值依次為47 MPa、32 MPa、22 MPa，工況b的應(yīng)力峰值依次為42 MPa、25 MPa、22 MPa。結(jié)果與在y=250 cm位置結(jié)果基本一致。

圖9 連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 9 Stress distribution of continuous stemming structure

圖10 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig. 10 Stress distribution of air deck stemming blasting structure

3.5 堵塞單元應(yīng)力分析

分別在空氣間隔堵塞模型下的每一堵塞段的中間位置選取一個(gè)單元，即y=5 cm，對(duì)于巖屑堵塞段，z1=1025 cm、z3=1175 cm、z5=1325 cm、z7=1475 cm，對(duì)于空氣堵塞段，z2=1100 cm、z4=1250 cm、z6=1400 cm，為便于分析單元命名依次為E1、E3、E5、E7，E2、E4、E6。

空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)下，4個(gè)目標(biāo)單元(E1、E3、E5、E7)的有效應(yīng)力峰值依次為320 MPa、21 MPa、0.32 MPa、0.28 MPa，如圖11。結(jié)果表明在堵塞段，受空氣間隔的影響，炮孔內(nèi)的應(yīng)力基本按照一個(gè)數(shù)量級(jí)進(jìn)行衰減，在頂部堵塞段受到的沖擊力已經(jīng)十分有限，說(shuō)明空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)有利于降低堵塞段頂部受到的沖擊力，防止發(fā)生沖孔。

圖11 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)巖屑堵塞單元應(yīng)力分布Fig. 11 Stress distribution of cuttings blocking element with air interval stemming blasting structure

在3段空氣堵塞段，目標(biāo)單元(E2、E4、E6)應(yīng)力峰值依次為70 MPa、0.22 MPa、0.28 MPa，如圖12。結(jié)果表明空氣單元應(yīng)力峰值從第二段開(kāi)始便已經(jīng)衰減為較低數(shù)值，采用空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)并做到防止沖孔，應(yīng)使用2段以上空氣間隔可達(dá)到較好效果。

圖12 空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)空氣堵塞單元應(yīng)力分布Fig. 12 Stress distribution of air element with air deck stemming blasting structure

4 工程試驗(yàn)

選擇平朔東露天煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，炮孔直徑為250 mm，平均孔深為20 m，孔排距為8 m×8 m，原堵塞長(zhǎng)度為6 m，炸藥為現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥。試驗(yàn)工況采用兩段端頭封堵的波紋管作為空氣間隔介質(zhì)材料，單段空氣間隔堵塞長(zhǎng)度為1 m，堵塞結(jié)構(gòu)從下到上分別為巖屑段(2 m)→空氣段(1 m)→巖屑段(1 m)→空氣段(1 m)→巖屑段(1 m)。排數(shù)為4排，單次試驗(yàn)每次約80個(gè)炮孔，共試驗(yàn)3次，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，爆破后地表塊度均勻，無(wú)大塊產(chǎn)生，爆破過(guò)程未出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，并沿著后排保留面形成寬約6 m、深約3 m的溝壑，見(jiàn)圖14，3次試驗(yàn)均取得了較好的爆破效果。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖Fig. 13 Field application

圖14 爆破效果Fig. 14 Blasting effect

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得到結(jié)論如下：

(1)采用空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)，在裝藥部分孔壁位置應(yīng)力峰值明顯削弱，但在離炮孔中心遠(yuǎn)區(qū)的巖石應(yīng)力峰值影響不大，說(shuō)明空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)有利于控制爆源中心的過(guò)破碎，減小粉碎區(qū)區(qū)域。

(2)采用空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)，在巖屑堵塞段無(wú)論是孔壁單元還是離炮孔中心遠(yuǎn)區(qū)位置單元，均僅在靠近裝藥部分應(yīng)力峰值強(qiáng)度有一定增強(qiáng)作用，但在靠近孔口部分的應(yīng)力峰值有所削弱，因此對(duì)于堵塞段的長(zhǎng)度應(yīng)計(jì)算后嚴(yán)格控制。

(3)采用空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)，在空氣堵塞段，孔壁單元應(yīng)力峰值均明顯降低，但是從應(yīng)力時(shí)程曲線形狀來(lái)看，有效應(yīng)力作用時(shí)間卻明顯增加；在該段離炮孔中心遠(yuǎn)區(qū)位置的單元應(yīng)力峰值略有降低，但是作用時(shí)間也有所增加，說(shuō)明空氣結(jié)構(gòu)對(duì)改善該位置巖石爆破效果有一定促進(jìn)作用。

(4)對(duì)于炮孔堵塞部分的單元：在巖屑堵塞段，受空氣間隔的影響，巖屑堵塞單元基本按照一個(gè)數(shù)量級(jí)進(jìn)行衰減，在頂部堵塞段受到的沖擊力已經(jīng)十分有限，說(shuō)明空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)有利于降低堵塞段頂部受到的沖擊力，防止發(fā)生沖孔；在空氣堵塞段，空氣單元應(yīng)力峰值從第二段開(kāi)始便已經(jīng)衰減為較低數(shù)值，說(shuō)明采用空氣間隔堵塞結(jié)構(gòu)要達(dá)到預(yù)期效果應(yīng)至少裝填2段空氣間隔段。

(5)通過(guò)露天臺(tái)階爆破試驗(yàn)，初步證明了該堵塞結(jié)構(gòu)對(duì)于改善效果的可行性。