锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响.pdf
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1、:./.锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响王 鑫 汪海波 王传兵 吕 闹 程 兵 姜自亮 王梦想 安徽理工大学土木建筑学院(安徽淮南)淮南矿业(集团)有限责任公司(安徽淮南)安徽理工大学化学工程学院(安徽淮南)摘 要 为研究聚能穴锥角参数对爆炸应力和岩石损伤破裂范围的影响以获得最优的聚能穴参数从而达到最佳的破岩效果利用有限元模拟软件 建立了 种锥角参数下的单向聚能药柱模型 锥角的深度为 种锥角高度分别为、和 研究了岩石裂纹扩展的影响规律测得聚能方向与非聚能方向上不同位置的有效应力得到不同锥角参数对应的岩石单元的最大破坏距离 结果表明:聚能锥角会对爆破产生定向作用特别是对岩石破碎和拉伸裂纹
2、所带来的破岩效果影响明显当锥角高度为 时距炮孔 测点处聚能方向上的有效应力比非聚能方向同样距离处高.同时聚能方向上单元损伤比要比非聚能方向高 聚能效果最佳随着锥角高度逐渐增大聚能方向上岩石裂纹逐渐减少裂纹分叉减少单元破坏最大距离可达.并且呈下降趋势关键词 聚能装药裂纹扩展损伤比锥角分类号.()().()().第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:安徽理工大学专利转化培育项目()安徽理工大学 年研究生创新基金()安徽省高校自然科学研究重大项目()第一作者:王鑫()男硕士研究生主要从事爆破工程方面的科研工作:.通信作者:汪海波()男教授主要从事爆破工程方面的教学和科研工作
3、:.引言炸药的聚能效应是利用装药结构一端特殊的空穴在炸药爆炸一瞬间所产生的爆轰产物高速聚集在中心轴线上从而形成一股能量很高的聚能流可以很大程度地提高在特定方向上对物体局部的破坏作用 近年来许多学者基于此开展了理论和试验研究 张旭进等运用有限元数值模拟软件研究发现相比于普通不耦合装药聚能结构可以在降低装药量的情况下大大提高定向爆破破岩的效果薛震等对异型环向聚能管的二次聚能效果进行了研究并且模拟了二次聚能射流形成的过程对射流质量进行分析得出偏角为、锥角开口为 时二次聚能能量集中破甲能力较好 郭德勇等对双孔聚能爆破的应力波叠加效应进行分析得到双孔聚能爆破聚能方向上裂纹的扩展过程 梁洪达等通过统计分析
4、聚能爆破后岩石裂纹的扩展长度总结得到拉伸应力波的传播规律 崔魁文等模拟了药型罩锥角对侵彻体的影响模型采用大锥角 得出锥角在 时侵彻性能良好 丁亮亮等对射流参数的影响规律进行分析拟合出了射流速度的工程化方程为单向聚能锥角参数研究提供了理论支持 周方毅等建立了带有锥角和球缺组合式的聚能装置该组合结构产生的射流为后面弹丸运动提供了动力在岩土爆破工程中现有研究主要集中于传统双向聚能药柱的破岩机理和工程应用 基于双向聚能药柱的良好破岩效果提出了一种单向聚能药柱并获得国家发明专利 然而对于这种单向聚能药柱缺少锥角参数对爆破破岩效果的影响规律研究 因此采用显式动力数值分析软件 分析了 种锥角参数的单向聚能药
5、柱在隧(巷)道掘进爆破中所产生的聚能效果得到相应的爆炸应力波传播规律和岩石的损伤破裂范围 单向聚能药柱壳体截面.基本原理隧(巷)道掘进爆破中炮孔主要分为掏槽孔、崩落孔和周边孔 类 在延迟爆破过程中起爆顺序依次为掏槽孔、崩落孔、周边孔图中为掏槽孔区域、为崩落孔破岩区域为周边孔爆破区域掏槽爆破是隧(巷)道 图 隧(巷)道掘进爆破过程示意图.()掘进爆破中炮孔利用率高低的关键因此两排掏槽孔聚能方向以槽腔为中心 区域炮孔的聚能方向为各自的最小抵抗线采用单向聚能药柱加强槽腔(或最小抵抗线)方向的岩体破碎和抛掷提高爆破效果.聚能管截面设计根据隧(巷)道掘进爆破常用钻爆参数以炮孔直径 为基础设计聚能管参数
6、聚能管为一侧带有锥角的 管如图 所示 壁厚为 内壁半径为 外壁半径 为 锥角深度为 为研究锥角参数对聚能效果的影响设计 种锥角锥角高度(开口高度)依次为、和 对应的锥角 分别为、和 图 聚能管截面.数值模型建立与参数选择.模型建立采用准二维模型 前期通过/软件进行建模单元类型为 实体单元模型厚度设置为单位厚度单位制为 建立岩石、炸药、空气和 聚能管 种模型采用映射网格划分方法 岩石模型直径为 计算模型如图 所示 炸药和空气两种材料单元采用欧拉网格建模 聚能管和岩石采用拉格朗日网格建模 岩石单元采用多物质 算法 炸药和空气属于流体岩石和 聚能管属于固体流体与固体之间采用 爆 破 器 材 第 卷第
7、 期图 计算模型.流固耦合算法通过关键字 来实现 岩石材料模型采用通过修改 文件、添加失效关键字 来模拟裂纹扩展过程炸药采用高燃高爆材料模型状态方程为 ()式中:为压力 为体积 为内能、和 为材料属性参数由材料本身决定.计算参数选择炸药选用矿用三级煤矿许用水胶炸药爆速、爆压 和参考密度 等参数见表 表 炸药的参数./()/()/./.聚能管采用塑性随动强化材料模型通过关键字 来控制 详细参数见表 空气采用中的材料模型表 聚能管的参数.密度/()弹性模量/切变模量/屈服应力/泊松比.状态方程采用 定义公式为 ()()式中:为爆压 为常数 为单位体积的内能 空气的参数见表 表 空气的参数./().
8、/().数值计算结果分析.单向聚能药柱爆破破岩特性模型计算时采用的失效准则为拉剪破坏 当岩石单元的拉应力和切应变达到最大时单元将发生破坏软件将会删除该单元 此时在岩石中产生裂纹 这种计算方式能够直观地看到炮孔周围拉伸裂纹的形成和发展过程 由于计算工况较多仅列出锥角高度为 时炮孔周围的裂纹情况(图)图()中聚能药柱起爆后 时炮孔四周出现破碎区但是右侧径向裂纹明显先于周围裂纹 图()中当 时炮孔周围的破碎区继续扩大并且径向裂纹更加明显由于破碎区岩石受到内侧的压应力逐渐增大岩石所受到的应力逐渐增大开始达到失效值此时可以观察到岩石右侧开始产生定向拉伸裂纹同时四周也产生拉伸裂纹事实上非聚能方向上的拉伸裂
9、纹长度明显短于 聚能方向图()中当 时炮孔周围 图 锥角高度 时炮孔周围裂纹扩展过程.年 月 锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响 王 鑫等 的破碎区持续扩大同时右侧聚能方向上的裂纹更加明显此时观察到明显的拉伸裂纹并且聚能方向上的裂纹明显大于非聚能方向 图()中当 时炮孔周围的破碎区继续扩大聚能方向上的拉伸裂纹迅速扩展同时开始出现分叉 图()中当 时岩石的裂纹扩展明显右侧聚能方向上拉伸裂纹和分叉明显增大而且有进一步扩大的趋势聚能方向上的裂纹远远长于非聚能方向上的裂纹 图()中当 时右侧聚能方向上裂纹达到最长四周拉伸裂纹也达到最大非聚能方向上裂纹始终没有聚能方向上的裂纹长右侧聚能方向上裂纹的
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- 参数 单向 聚能药柱 爆破 效果 影响
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