劉玉豐，方 芳，李海謙，李啟月

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南和天工程項(xiàng)目管理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410221）

裝藥結(jié)構(gòu)是影響光面爆破效果的關(guān)鍵因素之一。為改善光面爆破效果，周邊孔常采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)［1］。針對(duì)設(shè)計(jì)為同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)而實(shí)際為偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)［2］，不少學(xué)者通過(guò)破壞特征對(duì)偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)下爆破作用進(jìn)行定性分析［1-3］。偏心與同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的損傷破壞作用不同，最終影響光面爆破效果。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種研究手段分析了同心與偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中裝藥段孔壁壓力分布特征［4-10］，但較少采用定量的研究方法，對(duì)炮孔孔壁壓力的徑向分布特征研究也不多。本文采用ANSYS／LS-DYNA數(shù)值模擬對(duì)偏心與同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中非裝藥段孔壁壓力開(kāi)展研究，定量分析不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)孔壁壓力軸向、徑向分布特征的影響。

1 建立數(shù)值模型

建立同心與偏心不耦合裝藥模型各一個(gè)，軸對(duì)稱(chēng)鋼管模型長(zhǎng)度均取L＝1 150 mm，如圖1所示，測(cè)距l(xiāng)分別取0.05 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，孔壁測(cè)點(diǎn)位于該處上、下兩側(cè)，也即β＝180°和0°對(duì)應(yīng)的孔壁質(zhì)點(diǎn)處，β為垂直于軸向截面上半徑與方向向下的豎直線夾角。

為保證仿真計(jì)算孔壁壓力結(jié)果的真實(shí)性，鋼管材料、炸藥材料和空氣介質(zhì)材料分別采用*MAT_JOHNSON_COOK、*MAT_HIGH_EXPLOSI-VE_BURN和*MAT_NULL模型描述，其狀態(tài)方程分別用*EOS_GRUNEISEN、*EOS_JWL和*EOS_LINEAR_POLYNOMAIAL描述，其相關(guān)材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表1～3所示。建模過(guò)程中對(duì)無(wú)縫鋼管模型的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。建立模型時(shí)，無(wú)縫鋼管和空氣介質(zhì)以及2號(hào)巖石乳化炸藥模型均采用1／4建模，在模型對(duì)稱(chēng)邊界上施加對(duì)稱(chēng)約束。模型計(jì)算過(guò)程中，炸藥和空氣介質(zhì)材料采用ALE算法，鋼管材料采用Lagrange算法。

表1 炸藥參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)

表2 空氣參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)

表3 鋼管材料及狀態(tài)方程參數(shù)

2 不耦合裝藥軸向分布特征

通過(guò)仿真計(jì)算得出偏心與同心不耦合裝藥時(shí)不同測(cè)距l(xiāng)以及截面角度β對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的孔壁壓力峰值分布如表4所示。l＝0.05 m、1.0 m處測(cè)點(diǎn)的典型壓力時(shí)程曲線如圖2所示。由表4和圖2可知，軸向上各測(cè)點(diǎn)壓力值隨時(shí)間分布差異較為明顯。測(cè)點(diǎn)離爆心較近時(shí)，偏心裝藥耦合側(cè)率先承受沖擊波壓力且達(dá)到峰值時(shí)刻較不耦合側(cè)快；測(cè)點(diǎn)離爆心較遠(yuǎn)時(shí)，各裝藥條件下耦合側(cè)與不耦合側(cè)壓力值在同一時(shí)刻幾乎重合。

圖2 不同裝藥結(jié)構(gòu)軸向非裝藥段孔壁壓力-時(shí)間曲線

表4 不同裝藥結(jié)構(gòu)軸向非裝藥段孔壁壓力峰值模擬結(jié)果

圖3為數(shù)值模擬得到的不同裝藥結(jié)構(gòu)軸向非裝藥段不同測(cè)距的孔壁壓力峰值曲線。偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，當(dāng)l≤0.5 m時(shí)，等測(cè)距截面β＝0°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值較β＝180°對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值小，且沖擊波載荷作用于孔壁的持續(xù)時(shí)間較β＝180°對(duì)應(yīng)孔壁的載荷作用時(shí)間大；當(dāng)l＞0.5 m時(shí)，等測(cè)距截面β＝0°對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值近似等于β＝180°對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值，且空氣沖擊波作用時(shí)間亦近似相等。同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，相同測(cè)距截面β＝0°與β＝180°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值相等，且沖擊波載荷作用于孔壁的持續(xù)時(shí)間相等。

圖3 不同裝藥結(jié)構(gòu)孔壁壓力峰值分布曲線

當(dāng)0＜l≤0.3 m時(shí)，偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，炮孔軸向非裝藥段等同測(cè)距截面孔壁上β＝180°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值較同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)大；當(dāng)l＞0.3 m時(shí)，同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中相同測(cè)距截面孔壁壓力峰值較偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)大。偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，在裝藥耦合側(cè)圍巖的約束以及裝藥不耦合側(cè)空氣介質(zhì)的導(dǎo)向作用下，爆炸沖擊波沿炮孔軸向傳播過(guò)程中徑向膨脹呈現(xiàn)出“逆偏心效應(yīng)”，導(dǎo)致裝藥不耦合側(cè)孔壁壓力峰值增大。

不同裝藥結(jié)構(gòu)下軸向非裝藥段孔壁壓力峰值擬合曲線如圖4所示，圖中擬合方程為：

圖4 不同裝藥結(jié)構(gòu)孔壁壓力峰值擬合曲線

同心不耦合裝藥：

偏心不耦合裝藥：

偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，β＝180°延長(zhǎng)線上孔壁壓力峰值擬合曲線衰減快。在裝藥耦合側(cè)孔壁約束作用及不耦合側(cè)空氣介質(zhì)的導(dǎo)向作用下，近區(qū)孔壁壓力峰值增大，因此，偏心不耦合裝藥中β＝0°延長(zhǎng)線上孔壁壓力峰值衰減規(guī)律擬合曲線相關(guān)性系數(shù)較小。

3 偏心裝藥結(jié)構(gòu)徑向分布特征

不同β值下的軸向孔壁壓力峰值如圖5所示。文獻(xiàn)［11］指出，在偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，軸向非裝藥段孔壁壓力峰值隨β增大而減小，但本文數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)“逆偏心效應(yīng)”。當(dāng)l≤0.5 m時(shí)，任一截面β＝180°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值較β＝0°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的孔壁壓力峰值大。

圖5 偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)軸向孔壁壓力峰值隨β分布特征

偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，當(dāng)l≤0.5 m時(shí)，任一截面孔壁壓力峰值隨著β增大而增大。其中，當(dāng)β≤15°時(shí)，炮孔軸向l≤0.3 m對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值最小；當(dāng)15°＜β＜90°時(shí)，炮孔軸向l≤0.2 m對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值較??；當(dāng)90°≤β＜120°時(shí)，炮孔軸向l≤0.1 m對(duì)應(yīng)孔壁壓力峰值偏小。說(shuō)明沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波在裝藥不耦合側(cè)空氣介質(zhì)的導(dǎo)向作用下集中膨脹作用于裝藥不耦合側(cè)孔壁。

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法，對(duì)偏心與同心不耦合裝藥爆破孔壁壓力峰值分布特征進(jìn)行了對(duì)比研究，得到如下結(jié)論：

1）偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，測(cè)距l(xiāng)≤0.5 m時(shí)，炮孔軸向β＝180°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值較β＝0°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值大，且l＜0.3 m時(shí)，炮孔軸向β＝180°對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值亦較同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值大；測(cè)距l(xiāng)＞0.5 m時(shí)，炮孔軸向任一截面任意孔壁測(cè)點(diǎn)壓力峰值近似乃至相等。同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，相同截面上孔壁壓力峰值均相等。

2）偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，炮孔軸向沿β＝180°延長(zhǎng)線對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值隨測(cè)距衰減快；沿β＝0°延長(zhǎng)線對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值隨測(cè)距衰減次之；同心不耦合裝藥條件下衰減慢。

3）偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，在裝藥耦合側(cè)孔壁的約束以及裝藥不耦合側(cè)空氣介質(zhì)的導(dǎo)向作用下，沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波傳播方向偏心效應(yīng)，導(dǎo)致裝藥不耦合側(cè)孔壁壓力偏大。同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，在爆炸近區(qū)，沿炮孔軸向傳播的爆炸沖擊波傳播速度極快，周?chē)諝饨橘|(zhì)對(duì)爆炸沖擊波傳播導(dǎo)向作用小，導(dǎo)致孔壁壓力峰值偏小。