岩石爆破过碎问题数值模拟研究

摘要：为了解决某爆破施工过程中岩石过碎的问题，基于现场爆破参数，运用LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序建立有限元模型，对爆破施工作数值模拟，对比分析了孔距为3m和4m的爆破应力作用范围和各测点主应力峰值，为爆破施工确定合理的孔距提供了理论依据。

关键词：数值模拟；主应力；土石方爆破；爆破参数

中图分类号：TD235.4文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）14-0131-02

某大型土石方平整场地爆破工程位于贵州省遵义市，随着爆破施工的推进，发现爆破岩石过于粉碎，对炸药造成很大的浪费，由于岩石过于粉碎但破碎范围较小，铲装效率受到很大影响，严重影响施工进度，爆破施工采用3m×3m孔网参数，为了确定更合理的爆破参数，基于LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序，在现实的爆破参数基础上作数值模拟，对影响爆破范围的主要因素爆破最大主应力进行分析。

1数值模拟分析

LS-DYNA中，MAT_PLASTIC_KINEMATIC选项卡可以用来模拟爆破荷载下岩石的本构关系，此材料模型考虑了岩石介质材料的弹塑性性质，并且能够对材料的强化效应（随动强化和各向同性强化）和应变率变化效应加以描述，同时带有失效应变。LS-DYNA中内嵌有高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，该材料类型可以用来模拟炸药的爆轰过程。通过JWL状态方程，并设置炸药的起爆点和起爆时间，在程序中可实现对炸药爆轰过程的模拟。JWL状态方程一般表现为如下形式：

P=A(1-■)e-R1V+B(1-■)e-R2V+■

式中：A，B，R1，R2，ω为常数，E0单位体积内能，V相对体积。为了模拟爆破所引起的破碎范围主应力，利用了LS-DNYA程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程功能。通过炮孔内爆轰模拟及爆轰产物与孔壁的相互作用确定爆炸荷载。文章数值计算中2号岩石乳化炸药的具体参数为：炸药密度为950 kg/m3，状态方程中A=47.6e9，B=0.529e9，R1=3.5，R2=0.9，ω=0.3，E0=4.5e9，炸药的爆轰速度为3600 m/s，计算中所取岩石力学参数如表1所示。

2爆破形成过程的模拟分析

2.1计算模型构建

计算模型尺寸当孔距为3 m时为23 m×20 m；当孔距为4 m时计算模型24 m×20 m，两种工况下爆破距离四边帮垂直距离均为10 m，炮孔选取90 mm，其中左边均为自由面，其余三面均为无反射边界，A,B,C,D,E为炮孔中心线垂直方向相距1 m各测点（因为图为对称图形，故研究同一边5测点即可），主要研究的岩体中主应力作用范围，为了简化计算模型，所以选取同排相邻两个炮孔同时起爆。计算模型如图1所示。

2.2主应力云图和曲线对分析

以下分别为孔距3 m和4 m时各时间应力云图分析,（a）图分别为3 m孔距各时间主应力云图，（b）图分别为4 m孔距各时间主应力云图。如图2所示各点应力云图可清楚的看出应力的传播范围，孔距为3m时间为349.93 μs 应力已经大于花岗岩破碎的最大拉应力，而当孔径为4m时间为349.96 μs，最大主应力和3m时近似相同，但是由于孔距较大，所以明显可见应力叠加还有一定的距离；图3和图4各测点应力曲线可知，孔距为4m 时各测点峰值压力明显小于孔距为3m时的各测点压力峰值，但是均大于岩石的破碎应力值，由以上分析可知，孔距为4m可达到岩石的理想破碎且破碎范围大于3m的 ，证明孔距为4m更为合理。

3结论

文章采用LS-DYNA软件研究爆破施工中的岩体过度粉碎原因，对比分析了孔距为3 m和4 m的数值模拟结果，根据岩石第一主应力破坏准则和数值模拟结果可知，当孔距为3 m时，峰值的主应力提前于4 m炮孔进入破碎，但是4 m的主应力叠加时已经大于岩石的破碎范围，即证明当孔距为3 m，爆破有一部分能量叠加导致岩石过度粉碎，而未形成更大的破碎范围，数值模拟的结果为现场改变孔距提供了重要的理论依据。

参考文献：

[1] 王臣,吕艳奎.VCR法爆破漏斗试验浅析[J].资源环境与工

程,2006,20(4):384-386.

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