摘"要：為探究不同藥包結(jié)構(gòu)爆破效應(yīng)，采用數(shù)值模擬手段建立不同裝藥結(jié)構(gòu)模型，分析爆破過(guò)程裂巖石隙擴(kuò)展及其應(yīng)力分布。結(jié)果表明：在兩種不同藥包結(jié)構(gòu)爆破中，由于切縫藥包聚能效應(yīng)，使得爆破應(yīng)力對(duì)炮孔壁做功最大的是切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。根據(jù)巖石裂隙擴(kuò)展圖，切縫藥包爆破先于普通藥包爆破形成貫通裂隙，普通藥包爆破巖石裂隙分布由炮孔中心向四周近似均勻延伸，而切縫藥包爆破巖石裂縫破壞最明顯的是切縫方向。在模型貫通裂隙形成前，切縫藥包爆破應(yīng)力大于普通藥包爆破，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包爆破應(yīng)力高于切縫藥包。

關(guān)鍵詞：爆破"""切縫藥包"""數(shù)值模擬"""裂隙擴(kuò)展"""爆破應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TD235.12

Research"on"the"Numerical"Simulation"of"the"Rock"Blasting"Effect"of"Different"Charge"Structures

TIAN"Yingxiang1*""""JIAO"Anjun2""""LIN"Huaying3

1.Department"of"Public"Security，"Guizhou"Police"College，"Guiyang，"Guizhou"Province，"550005""China;"2."Bijie"Energy"Development"Technology"Center，"Bijie，"Guizhou"Province，"551799"China;"3."Guizhou"Institute"of"Mine"Safety"Science"Co.，"Ltd.，"Guiyang，"Guizhou"Province，"550025""China

Abstract"："In"order"to"explore"the"blasting"effect"of"different"charge"structures，"different"charge"structure"models"are"established"by"numerical"simulation，"and"the"crack"propagation"and"stress"distribution"of"fractured"rock"during"blasting"are"analyzed."The"results"show"that"in"the"blasting"of"two"different"cartridge"structures，"due"to"the"energy-gathering"effect"of"the"slotted"cartridge，""the"largest"force"of"blasting"stress"on"the"blast"hole"wall"is"at"the"slotted"direction"of"slotted"cartridge"blasting，"followed"by"ordinary"blasting，"and"the"smallest"force"is"at"the"non-slotted"direction"of"slotted"cartridge"blasting."According"to"the"rock"fracture"propagation"diagram，"slotted"cartridge"blasting"is"prior"to"ordinary"cartridge"blasting，"forming"a"penetrating"fracture，"and"the"rock"fracture"distribution"in"ordinary"cartridge"blasting"extends"approximately"evenly"from"the"center"of"the"blast"hole"to"surrounding"areas，"and"the"most"obvious"damage"of"the"rock"fracture"in"slotted"cartridge"blasting"is"at"the"slotted"direction."Before"the"formation"of"the"penetrating"fracture"of"the"model，"the"blasting"stress"of"the"slotted"cartridge"is"greater"than"that"of"the"ordinary"cartridge."After"the"fracture"is"penetrated，"an"effective"pressure"relief"channel"is"formed，"and"the"blasting"stress"of"the"ordinary"cartridge"is"higher"than"that"of"the"slotted"cartridge.

Key"Words："Blasting";"Slotted"charge";"Numerical"simulation";"Fracture"propagation;"Blasting"stress

爆破技術(shù)具有高效快速等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用在建筑拆除、礦山開(kāi)采、隧道交通等行業(yè)[1-3]。但當(dāng)前部分工程應(yīng)用中須實(shí)現(xiàn)巖石定向劈裂，而切縫藥包爆破的聚能作用有利于其實(shí)現(xiàn)定向精準(zhǔn)爆破。為此，對(duì)比研究不同藥包結(jié)構(gòu)爆破后巖體裂隙擴(kuò)展效果，對(duì)促進(jìn)巖石爆破技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展是極有必要的。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)切縫爆破進(jìn)行研究，其中程兵等人[4]采用實(shí)驗(yàn)討論了側(cè)向環(huán)形切縫的聚能效果；段寶福等人[5]采用數(shù)值模擬手段分析爆破應(yīng)力和裂隙，得出合理參數(shù)；薛永利等人[6]提出雙向多點(diǎn)聚能爆破方法，實(shí)現(xiàn)爆破界面的光滑平整；周陽(yáng)威等人[7]采用數(shù)值模擬方法分析環(huán)形切縫聚能效果；郭東明等人[8]分析不同切縫參數(shù)對(duì)爆破影響，并對(duì)其優(yōu)化，提高爆破效果；王雁冰等人[9]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，分析常規(guī)與切縫爆破巖石損傷、能量傳播、振動(dòng)速度等參數(shù)；吳波等人[10]采用LS-DYNA軟件分析雙向聚能爆破效果。

眾學(xué)者針對(duì)切縫爆破進(jìn)行大量研究，為更好地分析切縫與普通裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)巖石爆破效應(yīng)的影響，擬采用數(shù)值模擬方法，構(gòu)建不同藥包結(jié)構(gòu)，分析兩種藥包結(jié)構(gòu)爆破后巖石裂隙擴(kuò)展及應(yīng)力變化，擬為以后切縫聚能爆破研究提供基礎(chǔ)。

1"巖石爆破致裂機(jī)理

爆破過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力波和爆生氣體，兩者對(duì)巖體進(jìn)行破壞，巖體破壞形成3個(gè)區(qū)，即壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和振動(dòng)區(qū)[11-12]。炮孔周?chē)苄》秶鷥?nèi)，受到爆炸能量作用巖石被擠壓形成細(xì)小巖粒，該區(qū)域稱為壓碎區(qū)；隨著爆破應(yīng)力波和爆生氣體繼續(xù)向深處傳播，已無(wú)法壓碎巖體，但會(huì)使巖體產(chǎn)生裂隙，該區(qū)域成為裂隙區(qū)；直到當(dāng)巖石的抗拉壓能力大于爆破應(yīng)力波形成的應(yīng)力，巖體裂隙停止發(fā)育，該區(qū)域稱為振動(dòng)區(qū)。

根據(jù)巖石破壞機(jī)理、Von-Mises準(zhǔn)則和爆破荷載公式，推導(dǎo)徑向不耦合柱狀炸藥爆破后產(chǎn)生的壓碎區(qū)RC和裂隙區(qū)Rt計(jì)算公式為[13]：

式（1）至式（3）中：α為衰減指數(shù)，沖擊波和應(yīng)力波加載區(qū)分別為α1=2+b、α2=2-b；P1為施加于孔壁的初始?jí)毫Γ籦為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，b=μd/（1-μd）；μd為巖石動(dòng)態(tài)泊松比；rb為炮半徑；σcd和σtd分別為巖石的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度。

在巖石爆破中，爆炸應(yīng)力波先于爆炸產(chǎn)生的爆生氣體，因此應(yīng)力波先作用于孔壁，形成初始裂隙；后續(xù)爆生氣體持續(xù)作用于裂隙，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。此時(shí)裂隙端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI為[14]：

式（4）中：a0為初始裂隙長(zhǎng)度；F為修正系數(shù)，在1.5rb以外區(qū)域其值趨近于1.0；P為準(zhǔn)靜態(tài)作用下炮孔壁壓力。

根據(jù)巖石斷裂力學(xué)，引入巖體斷裂韌性參數(shù)KIC。在爆破的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，若要使初始裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，則需KI≥KIC，即孔壁壓力需滿足式（5）：

隨著裂隙不斷擴(kuò)展，孔內(nèi)壓力逐步降低，當(dāng)孔壁壓力滿足式（6）時(shí)，裂隙則停止擴(kuò)展。

式（6）中，a為當(dāng)前爆生裂隙長(zhǎng)度。

對(duì)比普通藥包結(jié)構(gòu)與切縫藥包結(jié)構(gòu)的區(qū)別，其主要在于切縫藥包結(jié)構(gòu)有一個(gè)“切縫的套管（切縫管）”，切縫管可根據(jù)需求在其管體上開(kāi)不同類型的縫，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（a）和1（c）。切縫藥包爆破時(shí)，非切縫方向，炸藥爆炸能量先作用在管體上被削弱后通過(guò)空氣傳遞，然后才作用在孔壁上；而切縫方向，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高壓氣體是經(jīng)切縫聚流后通過(guò)空氣傳遞直接作用在孔壁上。因此在切縫方向孔壁受力最大，其次為普通藥包結(jié)構(gòu)，最小的為切縫藥包結(jié)構(gòu)中非切縫方向?qū)?yīng)的孔壁；這是由于切縫藥包的聚能作用使得爆破時(shí)切縫方向孔壁壓力增大，所以非切縫方向孔壁壓力則會(huì)降低，見(jiàn)圖1（b）和1（d）。再結(jié)合式（1）、式（2）和式（4）進(jìn)行分析可知，在以上兩種藥包爆破中，切縫藥包爆破在切縫方向產(chǎn)生的巖石粉碎區(qū)半徑和裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度應(yīng)為最大，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

2"不同藥包結(jié)構(gòu)的爆破數(shù)值模擬

2.1"模型構(gòu)建

建立二維模型，模型為130"cm×130"cm正方形，模型中心3"cm圓形炮孔，見(jiàn)圖2所示。

建立切縫與普通藥包結(jié)構(gòu)模型，兩模型大小各尺寸不變，切縫藥包結(jié)構(gòu)模型在套管位置分別切開(kāi)兩條縫，兩縫夾角180°，藥包結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3所示。

2.2""材料本構(gòu)模型

2.2.1"""巖石材料

目前學(xué)者常用JHC模型、PK模型、彈塑性流體模型等描述巖石特性[15]，由于在爆破過(guò)程中巖體受到大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓力的狀態(tài)，本文采用JHC模型來(lái)描述巖石。

JHC模型的屈服面方程為：

式（7）中：σ*為特征化等效應(yīng)力；A、B、C、D、N材料強(qiáng)度參數(shù)；P*為特征化壓力；ε＇*為特征應(yīng)變率。

損傷方程為：

式（8）、式（9）中：ΔεP為單個(gè)循環(huán)內(nèi)等效塑性應(yīng)變；ΔμP為單個(gè)循環(huán)內(nèi)等效塑性體積應(yīng)變；T*為材料能夠承受的最大特征水平拉力；D1和D2為損傷常量；εf，min為斷裂最小塑性應(yīng)變。

2.2.2"炸藥材料

炸藥材料采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN定義，同時(shí)狀態(tài)方程采用JWL表述爆轟壓力，炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。

式（10）中：Pa為爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；Ve為相對(duì)體積；E0為初始比內(nèi)能。

2.2.3"""空氣材料

此次模擬中，空氣材料使用*"MAT_NULL模型描述，空氣壓力采用狀態(tài)方程*"EOS_LINER_POLYNOMIAL線性多項(xiàng)式表示，模型空氣材料參數(shù)見(jiàn)表2。

3"數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1"裂隙擴(kuò)展分析

分別繪制切縫藥包和普通藥包爆破在77.986"3"μs、155.972"6"μs、233.958"9"μs、311.945"2"μs和389.931"5"μs時(shí)巖石的裂隙擴(kuò)展圖，裂隙擴(kuò)展見(jiàn)圖4。根據(jù)圖4知，77.986"3"μs時(shí)，普通藥包爆破裂隙擴(kuò)展是向模型四周延伸，而切縫藥包爆破的裂隙擴(kuò)展主要在切縫方向，且其非切縫方向的裂隙擴(kuò)展緩慢，裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度均比普通藥包爆破的短。此外，切縫藥包爆破巖石裂隙在155.972"6"μs時(shí)就形成貫穿裂隙，而普通藥包爆破在模型計(jì)算最后，裂隙才擴(kuò)展至模型一半。從裂隙分布的整體形狀來(lái)看，普通藥包爆破巖石破壞程度在各方向差異不大，而切縫藥包爆破巖石破壞主要集中在切縫方向，非切縫方向破壞程度較低。

3.2"爆破應(yīng)力分析

為更好地分析爆破效應(yīng)，繪制不同時(shí)刻兩種裝藥結(jié)構(gòu)的爆破應(yīng)力云圖，其中圖5（a）至5（e）為普通藥包爆破，圖5（f）至5（j）為切縫藥包爆破。

分析整個(gè)爆破過(guò)程，模型峰值應(yīng)力不斷降低，這是由于爆破應(yīng)力波和高壓氣體在傳遞過(guò)程中不斷損失能量。對(duì)比圖5（a）和5（f）可知，普通藥包爆破炮孔壓力低于切縫藥包的，切縫藥包爆破在77.986"3"μs的峰值應(yīng)力為普通藥包峰值應(yīng)力的1.27倍；切縫藥包爆破應(yīng)力集中在切縫方向，而普通藥包的近似均勻分布在炮孔周?chē)?。根?jù)圖5（b）和5（g）可知，當(dāng)爆破經(jīng)歷155.972"6"μs后切縫藥包爆破壓力降低，低于普通藥包爆破，此時(shí)普通藥包爆破應(yīng)力為切縫藥包的2.21倍；這是由于該階段切縫藥包爆破已經(jīng)形成貫穿裂隙，爆破壓力通過(guò)貫穿裂隙卸壓。

4"結(jié)論

（1）通過(guò)理論分析，由于切縫藥包爆破的聚能作用，使其爆破后切縫方向孔壁壓力增加，非切縫方向孔壁壓力降低。所以導(dǎo)致在以上兩種不同藥包爆破中，孔壁巖石受力最大的為切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

（2）根據(jù)巖體裂隙擴(kuò)展圖，切縫藥包與普通藥包對(duì)比，其爆破后巖體會(huì)先形成貫通裂隙，且爆破能量更多用于破壞切縫方向的巖體。

（3）在貫通裂隙形成前，普通藥包爆破應(yīng)力低于切縫藥包結(jié)構(gòu)，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包結(jié)構(gòu)爆破應(yīng)力整體高于切縫藥包結(jié)構(gòu)。

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