臺階爆破微差時間對爆破效果的影響

張袁娟，可 杰，趙 強

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.鄭州宇通集團有限公司，河南 鄭州 450016；3.北方爆破科技有限公司，北京100089)

臺階爆破微差時間對爆破效果的影響

張袁娟1，可 杰2，趙 強3

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.鄭州宇通集團有限公司，河南 鄭州 450016；
3.北方爆破科技有限公司，北京100089)

為了研究微差時間對爆破效果的影響，運用LS-DYNA顯式非線性動力分析有限元程序?qū)τ袩o微差時間臺階爆破進行數(shù)值模擬，通過峰值振速得出微差爆破有明顯的降低爆破振動作用.選取雙炮孔連線中點單元，通過最大主應(yīng)力進行分析，得出兩種工況該處最大主應(yīng)力均大于巖石動態(tài)抗拉強度，對爆破效果無影響.峰值振速結(jié)合最大主應(yīng)力分析擴充了爆破參數(shù)理論的研究方法，為相關(guān)爆破參數(shù)的優(yōu)化提供了新的參考.

臺階爆破；數(shù)值模擬；LS-DYNA；微差爆破；峰值振速；最大主應(yīng)力

隨著爆破技術(shù)的普遍應(yīng)用，作為爆破危害之一的爆破振動已成為不可忽視的問題，微差爆破作為有效的降振手段得到了廣泛應(yīng)用.文獻[1]針對某鉛鋅礦存在的爆破振動問題，通過現(xiàn)場試驗獲取大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析確定了該礦山生產(chǎn)爆破的最佳間隔時差.文獻[2]充分利用數(shù)碼電子雷管的延時時間達到控制爆破振動及改善巖石破碎的效果，根據(jù)巖體中炸藥爆炸的能量分配理論，推導出逐孔起爆時孔間合理延期時間的計算公式，并根據(jù)礦山實際設(shè)計開展了室內(nèi)精確延時控制爆破相似模型試驗，結(jié)合現(xiàn)場工程實踐給出了合理的延期時間，論證了文中提出延期時間計算公式的正確性.文獻[3]對孔內(nèi)微差、孔間微差和排間微差3種微差爆破技術(shù)與破碎塊度之間的作用關(guān)系及作用因素按大小排列，以實際工況為基礎(chǔ)進行了三因素三水平正交試驗，得出了3種微差爆破技術(shù)對爆破破碎塊度影響的排序.文獻[4]為了研究露天礦微差爆破振動對多層建筑的影響，對礦山附近一棟多層建筑物進行爆破振動監(jiān)測，分析了爆破振動對爆源近處和遠處建筑物隨著建筑物高度的不同，振動速度和頻率的分布范圍.本研究運用大型動力顯式軟件LS-DYNA，在前人研究的基礎(chǔ)上，以峰值振速結(jié)合最大主應(yīng)力為研究方法分析微差爆破的降振作用，以期擴充微差爆破理論的研究方法.

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程

數(shù)值模擬計算中采用的是狀態(tài)方程[5-6]，此方程描述的是含能材料如炸藥等爆炸時產(chǎn)生的壓力特性狀態(tài)方程，可以表述為

(1)

式中： p為爆轟產(chǎn)物的壓力，Pa； V為體積的變化； E0為初始比內(nèi)能； R2，ω，B，R1和A為材料的常數(shù).

1.2 選取材料參數(shù)

選用2號巖石乳化炸藥進行數(shù)值模擬，炸藥的密度為950 kg/m3，狀態(tài)方程中的各參數(shù)取值分別E0=4.5E+9, R2=0.9, ω=0.3, B=0.529E+9, R1=3.5， A=47.6E+9，炸藥的爆轟速度為3 600 m/s.巖石力學參數(shù)選取如表1所示[7].

表1 數(shù)值計算中采用的巖石力學參數(shù)Tab.1 Calculation physico-mechanical parameters of rock

1.3 模型及數(shù)值模擬分析

選用動力分析軟件LS-DYNA分別建立微差爆破和齊發(fā)爆破數(shù)值模型，主爆孔直徑均為90 mm，炮孔間距為3 m，炮孔距離坡底線3 m，微差爆破工況雙孔微差時間為25 ms，齊發(fā)爆破工況雙孔齊發(fā)無微差時間，臺階高度為10 m，炮孔深度為10.5 m，其中超深0.5 m，最小抵抗線5 m，均采用底部起爆的方式，計算時間為0.05 s，建模時單位采用m-s-kg.考慮到炸藥產(chǎn)生的爆轟能量會以地震波的形式在基巖中傳播，故模型底部建立0.5 m厚的巖石，為了更好地模擬現(xiàn)場爆破工況，分別設(shè)置為無反射邊界，如圖1所示.

為了分析微差爆破時間對爆破效果的影響，以臺階頂部中心節(jié)點(E1)為基點，以10 m為步距，沿炮孔軸線剖面分別對微差爆破和齊發(fā)爆破進行分析.由于兩種工況網(wǎng)格劃分不同，為方便敘述，將選取節(jié)點依次記為E1，E2，E3，E4和E5，具體位置如圖2所示，所選取節(jié)點峰值振速對比如圖3所示，峰值振速典型曲線如圖4所示，選取各節(jié)點峰值振速如表2所示.

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

圖2 節(jié)點選取示意圖Fig.2 Sketch of node selection

圖3 節(jié)點峰值振速對比Fig.3 Comparison of peak vibration velocity

Tab.2 Peak vibration velocity of two kinds of operating modes m/s

由表2結(jié)合圖3可以看出，峰值振動速度隨著爆心距的增加而減少，并且,衰減絕大部分發(fā)生在爆源近區(qū)，5個測點齊發(fā)爆破在相同工況下的峰值振速可以達到4.21 m/s，而微差爆破相同測點的最大峰值振速僅為2.92 m/s，其余各點微差爆破工況振動速度也皆小于齊發(fā)爆破峰值振速.由圖3可以明顯地看出，微差爆破可以很好地起到降低爆破振動的作用.然而，微差爆破降低了爆破振動，是否會對爆破效果產(chǎn)生負面的影響，下文將對此問題進行論述.

為了論證微差爆破既能降低爆破振動又能保證爆破的效果，選取模型雙孔的中心位置單元，因兩種模型網(wǎng)格劃分不同，為了方便論述，記為A單元,具體位置如圖5所示.

由數(shù)值模擬結(jié)果分析得出，齊發(fā)爆破工況A單元處的最大主應(yīng)力為45.78 MPa，微差爆破工況A單元處的最大主應(yīng)力為32.14 MPa，最大主應(yīng)力典型曲線如圖6所示.A單元處于自由面處，受到拉應(yīng)力破壞，因巖石在爆破荷載作用下為動荷載作用，故判斷巖石破壞標準為巖石的動態(tài)抗拉強度.由巖石力學相關(guān)知識可知[8-10]，動態(tài)抗拉強度一般數(shù)倍于靜態(tài)抗拉強度，由于巖體的地質(zhì)條件差異較大，模擬選取的巖石類型動態(tài)抗拉強度為20～30 MPa，兩種工況的最大主應(yīng)力均大于巖石的動態(tài)抗拉強度，所以在爆破動荷載的作用下也能達到預(yù)期爆破效果.

圖5 單元選取示意圖Fig.5 Sketch of unit selection

圖6 最大主應(yīng)力典型歷程曲線Fig.6 Time-history curves of maximum principal stress curve

2 結(jié)論

(1)結(jié)合數(shù)值模型，選取爆破振動模擬測點，從選取的節(jié)點單元可知，爆破振動峰值振速隨著爆心距的增加而衰減且衰減多發(fā)生在爆源近區(qū)，從峰值振速衰減對比可以看出,微差爆破有明顯的降振作用.

(2)結(jié)合最大主應(yīng)力分析，選取雙炮孔中心節(jié)點單元，兩種工況該單元處的最大主應(yīng)力均明顯大于巖石的動態(tài)抗拉強度，得出微差爆破既能很好地降振且對爆破效果沒有影響的結(jié)論.峰值振速結(jié)合最大主應(yīng)力的分析方法為相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化提供了可借鑒依據(jù).

(3)數(shù)值模擬中假定巖石為均質(zhì)體，而現(xiàn)實工況中巖體存在節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，故數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但對其規(guī)律性無影響.

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Study on the effect of millisecond delay time to bench blasting

ZHANG Yuanjuan1， KE Jie2，ZHAO Qiang3

(1.CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；2.YutongGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,China；3.NorthBlastingTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100089,China)

In order to study the effect of millisecond time on the blasting effect, FEM program of LS-DYNA is used, the bench blasting with or without millisecond delay time are made, it is concluded that the millisecond delay time can reduce the peak vibration velocity obviously. And selecting the intermediate unit of the double explosion hole connection, through the analysis of the maximum principal stress, the maximum principal stress of two kinds working conditions are greater than the dynamic tensile strength of rock, and the effect of blasting is not affected. The analysis method of the maximum principal stress and the peak particle velocity can extend the theoretical analysis method of the blasting parameters, which provides a new method for the optimization of the related parameters.

bench blasting;numerical simulation;LS-DYNA;millisecond blasting;peak particle velocity;maximum principal stress

2015-11-16

國家自然科學基金(51104111)；河南工程學院博士基金(D2013022)；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(14B440005)；鄭州市科技攻關(guān)項目(141PPTGG375)

張袁娟(1983-)，女，陜西渭南人，講師，博士，主要研究方向為爆破工程.

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1674-330X(2016)02-0029-03