溝槽效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

王 猛，張書平，曹 杰，胡坤倫，汪 齊，韓體飛

?

溝槽效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

王 猛1，張書平1，曹 杰2，胡坤倫1，汪 齊1，韓體飛1

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南，232001；2.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶，401121）

為研究溝槽效應(yīng)的產(chǎn)生機理，利用AUTODYN軟件，根據(jù)假設(shè)條件建立簡化的二維EULER計算模型，對深孔不耦合裝藥條件下銨油炸藥的傳爆過程進行模擬。結(jié)果表明：溝槽效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因不是炸藥受超前沖擊波壓縮導(dǎo)致密度的增加。銨油炸藥不耦合系數(shù)為2時，在距離起爆點0.4m處空氣間隙中已經(jīng)產(chǎn)生超前沖擊波，但此沖擊波并不會影響炸藥正常爆轟。距離起爆點1.5m處，超前沖擊波強烈壓縮炸藥，使炸藥爆轟壓力降低。

銨油炸藥；溝槽效應(yīng)；壓死現(xiàn)象；AUTODYN

工業(yè)炸藥在連續(xù)不耦合裝藥條件下，常會發(fā)生爆轟中斷或爆轟轉(zhuǎn)燃燒的現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為溝槽效應(yīng)，又稱壓死現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的發(fā)生不僅影響爆破效果，降低施工效率，還會增加爆破現(xiàn)場的危險系數(shù)，在煤礦井下爆破時尤為突出，炸藥的燃燒可能使礦井中的瓦斯發(fā)生爆炸，對工作人員的生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，研究溝槽效應(yīng)的機理對礦山、井下的施工具有重要意義。目前學(xué)術(shù)界對溝槽效應(yīng)機理仍存有爭議，其中“空氣沖擊波超前壓縮藥包”這一假說受到廣泛關(guān)注[1]。這一假說認(rèn)為在爆轟過程中爆炸產(chǎn)物迅速膨脹，壓縮間隙中的空氣并形成空氣沖擊波，間隙空氣沖擊波的波速大于炸藥爆轟波的波速，從而炸藥爆轟之前受到空氣強烈壓縮，密度超過極限密度，使爆轟中斷。劉尊義[2]、孫德勇[3]以炸藥密度為出發(fā)點做過相關(guān)實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，拒爆炸藥仍能用雷管引爆，這說明拒爆炸藥密度超過極限密度的說法不夠合理[4]。

事實上，壓死現(xiàn)象多在深孔裝藥條件下發(fā)生，位置處于爆炸近區(qū)場，故難以通過實驗進行實時觀測，這一限制為溝槽效應(yīng)的深入研究增加了難度。本文通過數(shù)值計算，對深孔不耦合裝藥的爆炸過程進行模擬，還原溝槽效應(yīng)發(fā)生時炮孔內(nèi)狀態(tài)，為溝槽效應(yīng)的研究提供參考。

1 計算模型的建立

現(xiàn)實中，深孔不耦合裝藥條件具有多個變量，為簡化模型，做出如下假設(shè)：（1）不考慮炸藥自身重力，忽略裝藥過程中引起的炸藥密度變化；（2）炸藥與炮孔為理想不耦合；（3）炮孔處于無限介質(zhì)中。

1.1 模型及算法

滿足上述假設(shè)后，深孔不耦合裝藥模型便滿足軸對稱性，故該問題可看成軸對稱平面問題，模型由孔壁、炸藥及空氣組成。模型長5m，寬0.3m，藥卷直徑0.05m。為了更好模擬深孔環(huán)境，除對稱軸外的模型邊界條件均設(shè)置成無限邊界。整體采用EULER算法，并對炮孔內(nèi)網(wǎng)格進行加密處理，圖1為鏡像后的有限元模型。

圖1 有限元模型

現(xiàn)實中，溝槽效應(yīng)只發(fā)生在工業(yè)混合炸藥中，除此之外壓死現(xiàn)象發(fā)生在一定的裝藥不耦合系數(shù)范圍內(nèi)，為了全面分析該效應(yīng)產(chǎn)生機制，設(shè)計了5組模擬試驗，模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

1.2 炸藥模型及參數(shù)

本次模擬中，選用JWL狀態(tài)方程描述炸藥爆轟產(chǎn)物：

式（1）中：=0，為單位初始體積的內(nèi)能；，，1，2，等是由實驗確定的常數(shù)。各項參數(shù)均列于表2[5]。

表2 炸藥材料參數(shù)

空氣選用理想氣體狀態(tài)方程，Int Energy為2.068e5。

2 計算結(jié)果及分析

圖2為奧克托今不耦合裝藥(試驗編號5）結(jié)構(gòu)下炸藥和炮孔內(nèi)空氣運動的速度矢線圖。

圖2 試驗5速度矢線圖

不耦合裝藥條件下爆轟波傳播時，爆轟產(chǎn)物將徑向膨脹[6]，質(zhì)點飛散的合速度傾斜向前，使整個爆轟產(chǎn)物的膨脹呈圓錐形。高壓高密度的爆轟產(chǎn)物在快速膨脹時，與前方空氣形成壓力差，從而產(chǎn)生空氣沖擊波。隨著產(chǎn)物飛散速度減慢，圓錐形斜沖擊波經(jīng)過一段距離之后便與爆轟產(chǎn)物分離而獨立傳播。當(dāng)斜沖擊波傳播至管道壁面時，將發(fā)生反射[7]。由于單質(zhì)炸藥具有高爆速的特點，炮孔間隙內(nèi)未能產(chǎn)生超前于爆轟波陣面的空氣沖擊波。

圖3為銨油炸藥不耦合裝藥(試驗編號4）結(jié)構(gòu)下炸藥和炮孔內(nèi)空氣運動的速度矢線圖。

圖3 試驗4速度矢線圖

由圖3可以看出炮孔間隙內(nèi)空氣在爆轟波到達(dá)之前已經(jīng)開始運動。4號試驗裝藥不耦合系數(shù)為2，即管道直徑與藥卷直徑比處于1~4的范圍之內(nèi)[7]，斜沖擊波的入射角一般大于發(fā)生非正規(guī)斜反射的臨界值，故產(chǎn)生馬赫反射。馬赫波幾乎垂直于管道壁，馬赫波的高度隨著爆轟波的傳播而增大，當(dāng)其高度達(dá)到管道間隙的徑向高度時，馬赫反射結(jié)束。在炮孔徑向間隙內(nèi)，馬赫波將沿著軸線方向向前傳播，若此時馬赫波的速度大于爆轟波速度，便會產(chǎn)生馬赫波超前于爆轟波傳播的現(xiàn)象。由于銨油炸藥爆速較低，低于馬赫波沿炮孔傳播的速度，最終炮孔間隙內(nèi)形成了超前于爆轟波陣面的空氣沖擊波。

圖4為銨油炸藥在空氣場(試驗編號1）中爆炸時炸藥和炮孔內(nèi)空氣運動的速度矢線圖，由于沒有孔壁的約束，不會發(fā)生反射，沿藥柱方向不能形成超前于爆轟波的空氣沖擊波。

圖4 試驗1速度矢線圖

圖5~6為編號1、4兩組試驗中距起爆點0.4m處空氣和銨油炸藥的壓力——時間曲線，對比兩圖發(fā)現(xiàn)，不耦合裝藥時，0.4m處炮孔間隙內(nèi)空氣的壓力較炸藥急劇上升，爆轟波掃過炸藥之前，周邊空氣出現(xiàn)1個值為32MPa的壓力峰，而炸藥在空氣中爆炸并未出現(xiàn)此現(xiàn)象。

圖5 試驗1空氣、炸藥壓力——時間曲線(0.4m)

圖6 試驗4空氣、炸藥壓力——時間曲線(0.4m)

圖6中，空氣壓力峰較爆轟波到達(dá)時間僅提前了0.015ms，炸藥在這段時間內(nèi)壓力并未發(fā)生改變，爆轟波到達(dá)后炸藥的壓力急劇上升，因此在離起爆點較近的距離內(nèi)，雖然空氣間隙中已經(jīng)產(chǎn)生超前沖擊波，但并不會影響炸藥正常爆轟。

圖7為4號試驗中距離起爆點1.5m處空氣和銨油炸藥的壓力——時間曲線，圖7顯示，爆轟波掃過該處炸藥之前，周邊空氣出現(xiàn)1個值為40MPa的壓力峰，時間提前了0.1ms，空氣超前沖擊波作用于炸藥0.06ms后，炸藥壓力急劇上升至66.5MPa，此為超前沖擊波壓縮造成的。比較圖6~7可得：試驗4中距離起爆點0.4m處雖已經(jīng)產(chǎn)生超前沖擊波，但此沖擊波作用于炸藥時間短，該處炸藥爆轟波抵達(dá)時，受到超前沖擊波影響較小，此處炸藥爆轟壓為3.383GPa。距離起爆點1.5m處，超前沖擊波得到充分發(fā)展，較爆轟波提前強烈壓縮炸藥，使炸藥比表面積增大，爆轟壓下降為2.717GPa。

圖7 試驗4空氣、炸藥壓力——時間曲線(1.5m)

圖8 炸藥密度——時間曲線

圖8（a）中，藥卷置于空氣時，在爆轟波壓縮作用下炸藥密度由0.934 g/cm3急劇上升至1.174 g/cm3，隨后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)爆轟產(chǎn)物。當(dāng)銨油炸藥置于兩倍藥卷直徑的孔壁時，距離起爆點0.4m處炸藥密度峰值與圖8（a）接近，而距起爆點1.5m處炸藥密度峰值達(dá)到了3.731g/cm3。5組試驗中距離起爆點不同距離的炸藥在反應(yīng)過程中達(dá)到的最大密度與爆壓見表3。

表3 炸藥最大密度與爆壓

分析表3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各組結(jié)果中，炸藥反應(yīng)時的爆轟壓力與炸藥受壓所達(dá)到的最大密度不具有相同的關(guān)系：1、2、5組試驗結(jié)果中，炸藥爆轟壓力和最大密度沿炮孔方向均呈增大趨勢。但銨油不耦合裝藥試驗結(jié)果中爆轟壓力卻隨炸藥最大密度的增加出現(xiàn)了先增后降的過程。這說明溝槽效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因不是炸藥受超前沖擊波壓縮導(dǎo)致的密度增加。

圖9給出了銨油炸藥不耦合系數(shù)為2時的傳爆過程，可以總結(jié)出該過程分為3個階段：（1）爆轟成長階段：起爆后，炸藥逐漸穩(wěn)定爆轟，此階段前驅(qū)沖擊波作用于炸藥時間短，不足以對炸藥產(chǎn)生影響；（2）爆轟衰減階段：前驅(qū)沖擊波隨著炸藥爆轟的成長得到加強，速度提高，作用于未反應(yīng)炸藥的時間增長，未反應(yīng)炸藥在沖擊波壓縮作用下直徑變小，炸藥爆轟減弱。（3）熄滅階段：未反應(yīng)炸藥在強烈壓縮作用下直徑減小，直至壓斷，剩余藥柱之間出現(xiàn)間隔，反應(yīng)無法繼續(xù)傳遞。

圖9 傳爆過程

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對銨油炸藥深孔不耦合裝藥條件下的爆炸過程進行模擬，研究了溝槽效應(yīng)的發(fā)生機理。分析前人所做工作及本文計算結(jié)果得出：（1）銨油炸藥不耦合系數(shù)為2時，炸藥起爆后，在距離起爆點0.4m處空氣間隙中已經(jīng)產(chǎn)生超前沖擊波，但此沖擊波作用于炸藥時間短，該處炸藥爆轟波抵達(dá)時，受到超前沖擊波影響較小，并不會影響炸藥正常爆轟。距離起爆點1.5m處，超前沖擊波得到充分發(fā)展，較爆轟波提前強烈壓縮炸藥，使炸藥比表面積增大，爆轟壓力下降。（2）銨油不耦合裝藥試驗結(jié)果中爆轟壓力隨炸藥最大密度的增加出現(xiàn)了先增后降的過程，證明溝槽效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因不是炸藥受超前沖擊波壓縮導(dǎo)致的密度增加。（3）銨油炸藥不耦合系數(shù)為2時，傳爆過程分為3個階段：（a）爆轟成長階段：起爆后，炸藥逐漸穩(wěn)定爆轟，前驅(qū)沖擊波不足以對炸藥產(chǎn)生影響；（b）爆轟衰減階段：前驅(qū)沖擊波隨著炸藥爆轟的成長得到加強，未反應(yīng)炸藥在沖擊波壓縮作用下直徑變小，炸藥爆轟減弱；（c）熄滅階段：未反應(yīng)炸藥在強烈壓縮作用下直徑減小，直至壓斷，剩余藥柱之間出現(xiàn)間隔，反應(yīng)無法繼續(xù)傳遞。

[1] 薛若恒.對徑向間隙效應(yīng)原理及不偶合裝藥的初探[J]. 露天采礦技術(shù), 1988(2):9-14.

[2] 劉尊義.銨油炸藥的壓死現(xiàn)象[J].煤礦爆破, 1996(1):36-39.

[3] 孫德勇.關(guān)于提高改性銨油炸藥深孔爆破效果的研究探討[J].爆破器材, 2009, 38(3):12-14.

[4] 鄭福良.關(guān)于溝槽效應(yīng)機理的探討[J].煤礦安全,1994(4): 30-32.

[5] ANSYS Inc．AUTODYN theory manual R4.3[M].USA: Century Dynamics Inc，2005．

[6] 鮑俊.乳化炸藥溝槽效應(yīng)機理的探討[J].能源與環(huán)境,2010(5): 83-84.

[7] 劉謙,AlanBauer.工業(yè)炸藥管道效應(yīng)的一般規(guī)律[J].山東科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 1991(4):381-389.

Numerical Analysis of Channel Effect

WANG Meng1, ZHANG Shu-ping1, CAO Jie2, HU Kun-lun1, WANG Qi1,HAN Ti-fei1

（1.Anhui University of Science and Technology,Huainan, 232001;2 Gezhouba Explosive Co. Ltd.,Chongqing,401121）

To study the mechanism of dead-pressing phenomenon, according to assumptions, the numerical simulation of the explosive process of ANFO in the condition of deep hole without coupling charge was carried out, using Autodyn simulation software. The results show that the main reason of channel effect is not the density increase of the explosive by the pre-shock wave compression, and channel effect can not be caused by the weak pre-shock wave generated at 0.4m away from the detonation point, while the detonation pressure of the explosive decreases by the compression of the strong pre-shock wave at 1.5m away from the detonation point.

ANFO explosives；Channel effect；Dead-pressing phenomenon；AUTODYN

1003-1480（2018）06-0038-04

TQ564.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.010

2018-09-07

王猛（1974-），男，副教授，從事工程爆破、爆炸力學(xué)研究。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51604009）。