堵塞长度对台阶爆破作用影响的数值模拟

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堵塞长度对台阶爆破作用影响的数值模拟

丁希平(铁道部第十六工程局)  王中黔  冯叔瑜

1．问题的提出
    炮孔堵塞可以减少孔口飞石和降低孔口空气冲击波的强度；延长炮孔内爆炸气体的作用时间，从而改善破碎效果；在地下矿山中，堵塞可以降低爆炸热气体引爆瓦斯和粉尘的危险。堵塞长度过小则会产生较多的飞石和较强的冲击波，使得爆炸气体过早从孔口冲出而影响爆破效果，同时增加瓦斯和粉尘爆炸的危险。堵塞过大则会影响台阶上部岩体的破碎。因而选择合理的堵塞材料和堵塞长度对台阶爆破十分重要。
    研究表明，使用多棱角的颗粒材料可以得到最佳的堵塞效果。堵塞长度主要与孔径D、抵抗线W有关，还受岩性和起爆药包位置等影响。在露天矿台阶爆破开采中，合理的堵塞长度的控制原则是提高炮孔的利用率，改善台阶上部岩石的破碎质量。
    堵塞长度是抵抗线大小的函数，当堵塞长度小于2／3倍抵抗线时一般会产生空气冲击波、飞石并造成堵塞区岩石过度破碎。在大多数情况下，堵塞长度L应等于抵抗线W，在有利的条件下，如倾斜孔和采用底部装药技术，堵塞长度可以减至0.75倍抵抗线。
    有关文献分析表明，对堵塞机理及合理堵塞长度的认识是基于小型试验或现场观测结果而得出的定性结论。由于爆破过程的复杂性，目前对于堵塞长度对台阶爆破应力场影响的理论分析还不是很深入。
本文采用三维有限元数值分析法，通过建立台阶爆破三维有限元计算模型，分析在炸药单耗不变的前提下，堵塞长度对堵塞区应力场的影响。

2．建立模型
如图1所示，按实际爆破设计参数以1：10模型比建立7个三维台阶爆破模型，模型参数见表1。根据研究对象的对称性，沿炮孔轴线对称面取模型的一半(图1正面为对称面)作为研究对象，通过Mises屈服准则，分析炮孔轴线对称面上有效应力场演化规律。
  
图1三维有限元计算模型

表1  模型参数表
    模型序号        台阶高度H(cm)          孔径D(cm)          抵抗线W(cm)        堵塞长度Sl(cm)        超深长度△h(cm)
    模型l            60            O．76            20            10            O
    模型2            60            0．76            20            14            4
    模型3            60            O．76            20            16            6
    模型4            60            0．76            20            18            8
    模型5            60            O．76            20            20            10
    模型6            60            0．76            20            22            12
  模型7(无堵塞)            60            0．76            20            16            6

边界条件：如图1所示，除坡顶、坡面和坡脚为反射边界，正面为对称面边界外，其余为无反射边界。
材料：岩石材料为花岗岩。为满足炸药临界直径条件，数值计算中选用高能炸药。
采用八节点六面体单元对计算模型进行剖分，剖分后的单元总数为34767个单元。在对称面上堵塞区设置两条时间历程记录线(L1，L2)。为分析无堵塞爆破对孔底应力场的影响，孔底设置一条时间历程记录线(L3)，如图1所示，在时间历程记录线上从右到左每隔7个单元取1个单元作为时间历程记录单元，以记录孔底各单元力学参量的时间历程曲线(单元号见表2)。其中L1距坡顶线5cm，L2距坡顶线10cm。

3．计算结果及分析
图2～图7是模型l至模型6在160s左右时对称面上Mises有效应力等值线分布图。由图2～图7可以看出，深孔台阶爆破岩体中的有效应力场呈近似椭球形分布，炮孔两端出现明显的端部效应。模型1至模型6时间历程记录线上各记录单元的最大有效应力见图8～图11。

表2时间历程记录单元号
时间历程记录单元线位置        单    元    号
Ll        22457，  22464，  2247l，  22478，  22485，  22492，  22499
L2        21257，  21264，  2l27l，  21278，  21285，  2l292，  21299
L3        8757，    8764，   8771，   8778，   8785，   8792．   8799
L3(无堵塞)        8397，    8404，   8411，   8418，   8425，   8432，   8439

  

  

假设最佳的堵塞长度满足以下条件：
(1)台阶堵塞区的岩石应部分破碎而不产生大量大块；
(2)当L2上记录单元的最大有效应力不小于花岗岩的动态抗拉强度(动拉=39 MPa)，而L1上记录单元的最大有效应力不大于花岗岩的动态抗拉强度时，台阶堵塞区的岩体只产生破裂而不会产生大量飞石。
从图8～图1l可以看出，堵塞区有效应力场随堵塞长度的增加呈指数规律衰减。当堵塞长度等于20 cm时，L2上的记录单元最大有效应力大于花岗岩的动态抗拉强度，当堵塞长度等于22 cm时，L2上的各记录单元最大有效应力小于花岗岩的动态抗拉强度；对于L1而言，当堵塞长度等于16cm时，各记录单元的最大有效应力(除坡面附近位置)大于花岗岩的动态抗拉强度，当堵塞长度等于18 cm时，各记录单元的最大有效应力小于花岗岩的动态抗拉强度；因而根据以上假设条件，最佳的堵塞长度因该18～20cm，即堵塞长度与抵抗线的比值St／W=0.9～1.0。

  
图8  各模型L1上各点最大Mises有效力图

  
图9  各模型L1上各点最大Mises有效力随堵塞长度变化图

  
图10  各模型L2上各点最大Mises有效力图

  
图11  各模型L2上各点最大Mises有效力随堵塞长度变化图

  
图12  各记录点最大Mises有效力

  
图13  堵塞队孔底应力场的影响（和模型3相比）

对于无堵塞爆破问题，本文建立和模型3相似的模型，区别在于炮孔孔口没有堵塞物。堵塞的作用在本文的开始已作了论述，但在实践中存在忽视堵塞作用的问题，甚至认为孔口部分的炸药可以取到堵塞的作用。很明显，在没有堵塞物时，孔口部分的炸药爆轰压力很快在空气中衰减，透射到岩石中的能量也大量减少，因而减弱了应力波对岩体的破碎作用。在孔口部分的岩体中有效应力减小约60％(图12)，所以会产生大块，同时缩短了爆炸气体在岩体中的作用时间，减弱了爆炸气体的抛掷作用。当抵抗线方向的岩体发生破裂而脱离母体时，爆炸气体会沿着炮孔方向逸出，因而产生大量飞石。理论分析表明无堵塞爆破对孔底抵抗线位置岩体中的破坏应力基本没有影响(图13)，因而可以推断堵塞对孔底抵抗线的破碎影响较小。这也是实践中存在无堵塞爆破的原因之一。

4．结    论
(1)深孔台阶爆破有效应力场呈近似椭球状分布，炮孔两端出现明显的端部效应。
(2)台阶爆破堵塞区有效应力场随堵塞长度的增加呈指数规律衰减，堵塞长度不宜低于2/3倍抵抗线。在本文的计算中最佳堵塞长度与抵抗线的比值为0.9～1.O。
(3)无堵塞爆破对炮孔底部应力场影响较小，但对于台阶上部岩体中的应力场影响较大，在相同条件下无堵塞爆破堵塞区中有效应力减少约60％。


发表刊物：煤炭学报。2001年第26卷第4期。

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