張?jiān)?孫文標(biāo) 黃金香 馮毓松 王鳳凰

(1.河南工程學(xué)院煤礦災(zāi)害預(yù)防控制實(shí)驗(yàn)室河南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南省鄭州市，451191；2.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191；3.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100081；4.湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北省孝感市，432818；5.湖北宜化集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北省宜昌市，443000)

間隔裝藥技術(shù)對(duì)降低爆破振動(dòng)、維護(hù)邊坡及圍巖的穩(wěn)定性有重要的意義，已廣泛應(yīng)用在礦山開采中。相關(guān)學(xué)者及專家通過對(duì)比分析有無孔底空氣間隔裝藥得出孔底間隔裝藥降振率平均在10%～15%，大塊率降低率達(dá)30%以上；從數(shù)值模擬結(jié)合JHC損傷模型對(duì)不同位置間隔裝藥的降振作用進(jìn)行分析并表明:空氣間隔裝藥存在一個(gè)最佳空氣比；對(duì)不同空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)情況下炮孔近區(qū)巖石損傷破壞機(jī)理對(duì)空氣間隔裝藥進(jìn)行了深入的研究；從爆轟波理論角度提出了梯段爆破的合理空氣層比例。以上的研究及相關(guān)學(xué)者研究取得了一定的成果，為確定孔底間隔裝藥空氣層比例 (空氣層長(zhǎng)度和裝藥長(zhǎng)度比例)提供了可依據(jù)的理論。

某露天煤礦的邊坡為復(fù)合邊坡，煤體上覆巖石存在巖體剝離問題，且邊坡中規(guī)模較大的節(jié)理裂隙基本都是近乎于垂直狀發(fā)育的，并被多組節(jié)理裂隙切割，巖體完整性較差，因此對(duì)爆破振動(dòng)要求較高，但在施工過程中由于爆破振動(dòng)過大，頂部邊幫常出現(xiàn)大片垮塌，給礦山安全生產(chǎn)造成極大的威脅。針對(duì)該露天煤礦生產(chǎn)爆破施工中存在振動(dòng)過大的問題，考慮到施工的可操作性，擬引入孔底間隔裝藥爆破技術(shù)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，提出空氣層比例為10%和20%兩種裝藥結(jié)構(gòu)，運(yùn)用大型顯示非線性動(dòng)力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探索采用峰值振速衰減規(guī)律結(jié)合最大應(yīng)力法確定最佳的空氣層比例的方法，以期為類似工況提供可借鑒的方法。

1 數(shù)值模擬分析及本構(gòu)模型

1.1 選取的炸藥參數(shù)和控制方程

炸藥采用高能炸藥模型MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN，控制方程選用JWL狀態(tài)方程，此方程可描述炸藥等含能材料爆炸時(shí)的壓力特性，其表達(dá)式為:

式中:P——壓力，Pa；

V——體積變化；

E0、R2、ω、B、R1、A——材料常數(shù)。

數(shù)值模擬中選用的是2號(hào)巖石乳化炸藥，炸藥的密度是950kg／m3，炸藥的爆轟速度是4000m／s。

1.2 空氣的參數(shù)選取和控制方程

空氣選用的是LS-DYNA中的MAT＿NULL材料，線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程可以很好的模擬氣體的動(dòng)力學(xué)行為，方程形式如 (2)所示:

式中:C1～C6——常數(shù)；

μ——比體積；

E——內(nèi)能與初始體積之比。

2 裝藥結(jié)構(gòu)模型及數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

考慮到具體工況的特點(diǎn)，擬采用底部空氣間隔裝藥，根據(jù)實(shí)際工況分別建立耦合裝藥、底部間隔裝藥空氣層比例為10%和20%的數(shù)值模型，主爆孔直徑140mm，臺(tái)階高度10m，炮孔深度11m，其中超深1m，最小抵抗線5m，堵塞長(zhǎng)度4.5m，空氣間隔10%、空氣間隔20%和耦合裝藥方式裝藥長(zhǎng)度分別為5.85m、5.2m和6.5m，主爆孔距離坡底線5m，底部起爆，計(jì)算時(shí)間為0.06s，建模時(shí)單位采用m-s-kg，單元采用多物質(zhì)流固耦合算法，考慮到炸藥產(chǎn)生的爆轟能量會(huì)以地震波的形式在基巖中傳播，因此模型底部建立1m厚的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無反射邊界，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

有限元模型及選取的單元和模擬位置如圖2所示。以節(jié)點(diǎn)A (20，22，1)為基點(diǎn)，沿炮孔軸線剖面，分別對(duì)耦合裝藥、孔底10%空氣層比例和孔底20%空氣層比例模型以10m為步距選取相同爆心距節(jié)點(diǎn)并提取峰值振速，典型峰值振速時(shí)程曲線如圖3，對(duì)比分析如表1所示。

由表1可以直觀地看出，底部空氣層比例20%的工況峰值振速比耦合裝藥和孔底空氣層比例為10%相同爆心距節(jié)點(diǎn)峰值振速有明顯降低，具 體減振率對(duì)比如表2。

表1 不同工況峰值振速對(duì)比m／s

表2 不同工況峰值振速衰減率對(duì)比%

圖2 有限元模型及選取的單元和模擬位置

圖3 典型振速時(shí)程曲線 (R＝15)

由表2可以看出，間隔裝藥兩種工況靠近爆源處減振率最大，且隨著爆心距的增加而減小，底部間隔20%工況在水平徑向減振率最高可達(dá)48.4%，垂直向減振率最高可達(dá)44.7%和水平切向最高可達(dá)62.6%，均明顯大于空氣間隔10%工況各向減振率。

選取臺(tái)階底部單元和炮孔正上方單元，因耦合裝藥、底部空氣層比例10%和底部空氣層比例20%模型空氣層比例不同，故單元在相同位置單元號(hào)不同，為方便論述記為H1和H2，如圖2所示。不同工況下相同位置處最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4所示。

由圖4(a)可知，H1處最大主應(yīng)力為40.88MPa，H2處最大主應(yīng)力為51.71MPa；由圖4(b)可知，H1處最大主應(yīng)力為26.58MPa，H2處最大主應(yīng)力為46.35MPa；由圖4(c)可知，H1處最大主應(yīng)力22.86MPa，H2處最大主應(yīng)力為42.47MPa；數(shù)據(jù)顯示，耦合裝藥工況下自由面相同位置處最大主應(yīng)力明顯大于空氣間隔裝藥情況下，且從最大主應(yīng)力時(shí)程曲線可以明顯看出，間隔裝藥可以有效地降低主應(yīng)力的峰值，增大爆轟的作用時(shí)間，這與相關(guān)學(xué)者研究一致，證明了空氣間隔裝藥是有效地降低振動(dòng)的手段。綜合考慮峰值振速衰減率和選取單元最大主應(yīng)力數(shù)值，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提出的10%和20%的空氣層比例間隔裝藥方案對(duì)比分析，20%空氣層比例為該工況合適的孔底間隔裝藥空氣層比例。

圖4 不同工況下最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

3 結(jié)論

間隔裝藥技術(shù)可以有效地降低爆破振動(dòng)，保護(hù)礦山附近建構(gòu)筑物的安全，對(duì)維護(hù)邊坡的穩(wěn)定及礦山的安全生產(chǎn)有重要的意義。本文從礦山安全生產(chǎn)角度引入間隔裝藥技術(shù)，根據(jù)具體工況，給出了軸向空氣間隔裝藥最佳空氣層比例的確定方法，為礦山開采過程中降低爆破振動(dòng)，確保安全生產(chǎn)提供了可借鑒的方法，通過數(shù)值模擬分析得出以下結(jié)論:

(1)通過對(duì)比分析耦合裝藥、孔底空氣層比例10%間隔裝藥和孔底空氣層比例20%間隔裝藥峰值振速衰減率結(jié)合最大主應(yīng)力分析，得出空氣比例層20%為最佳比例，擴(kuò)充了軸向間隔裝藥空氣層比例的確定方法。

(2)通過對(duì)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線的分析，結(jié)果表明間隔裝藥可以有效地降低應(yīng)力峰值并延長(zhǎng)爆破荷載作用時(shí)間，證明數(shù)值模擬是正確和有效的。

(3)數(shù)值模擬中假定巖石為均質(zhì)體，現(xiàn)實(shí)工況中巖體存在節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，因此數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但對(duì)其規(guī)律性無影響。

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