切缝药包光面爆破裂纹扩展时空演化分析1

胡建华教授，邓煜林，王昌，杨春

（中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

中图分类号：TD235 文献标志码：A

摘要：光面爆破机理复杂，裂隙演化具有不确定性，现场试验难以完整观察到炮孔间裂纹的起裂、扩展至贯通。采用CAD与ANSYS联合建模技术构建空气不耦合光面爆破数值模型，运用显式动力分析软件LS-DYNA定义岩石单元失效计算获得切缝药包光面爆破裂纹扩展演化过程，从时空演化角度研究光面爆破裂纹扩展规律，从而为矿山巷道爆破工程提供更精确的指导。研究结果表明：1）CAD与ANSYS联合建模技术弥补了 ANSYS 对于复杂模型构建的缺陷，实现精确耦合数字建模；2）定义岩石单元失效方法可以使得爆破裂纹演化过程更为直观，切缝药包爆破相较一般空气不耦合装药结构爆破，炮孔周壁产生的径向裂纹和分叉裂纹显著减少；3）模拟不耦合系数1.5、1.8、2.25切缝药包光面爆破裂纹扩展时空过程，发现切缝药包爆破裂纹扩展演化规律，其裂隙数量随着不耦合系数的增大而减少，裂纹扩展演化长度也随之变短，分叉裂纹扩展演化明显降低，当不耦合系数为1.8时，数值模拟切缝药包爆破裂纹扩展演化形成较佳的贯通裂纹，获得较好的爆破效果。

关键词：切缝药包；时空演化；联合建模；贯通裂纹；数值模拟

Numerical Analysis of the slotted cartridge blasting crack extension by temporal-spatial evolution

Hu Jianhua Deng Yulin

(School of Resources&Safety Engineering, Central South University,Changsha Hunan 410083,China)

Abstract: Based on the complexity and uncertainty of smooth blasting, it is difficult to observe the blasting crack

by the crack initiation, extension and transfixion through the field test. The model of smooth blasting that air as

coupling medium is established by combining CAD with ANSYS. The explicit dynamic software LS-DYNA is

used to simulate slotted cartridge blasting crack extension with elements failure is defined, to provide more

accurate guidance for mine laneway blasting projects from the aspects of temporal and spatial evolution with

multi-direction cutaway views. The research results as follows: 1) Joint modeling with CAD and ANSYS can fill

the gap of ANSYS for complex model modeling, and achieve refined digital modeling for roadway; 2) Blasting

crack extension is more intuitive with elements failure is defined, and which has contributed to the analysis of

cutting effect. The blast-induced crack surrounding the hole and crack bifurcation phenomenon are reduced

significantly, when slotted cartridge blasting is compared with the model of smooth blasting that air as coupling

medium; 3) Through the temporal and spatial evolution simulation of slotted cartridge when decoupling

coefficient was 1.5、1.8、2.25, found that the number of slotted cartridge blasting crack reduce with the increase of

decoupling coefficient, crack extension length becomes shorter, the bifurcation of crack extension decreased

significantly; When decoupling coefficient is 1.8, the numerical simulation of slotted cartridge blasting crack

extension form better transfixion crack evolution, obtain good blasting effect.

Keywords: slotted cartridge；temporal and spatial evolution；joint modeling；transfixion crack；numerical

simulation

基金项目：国家十二五科技支撑计划（No. 2015BAB12B01），国家自然科学基金资助项目（No. 41672298），湖南省自然科学基金资助项目（2016JJ2145）

作者简介：胡建华（1975—），男，湖南衡南人，博士，教授，从事高效安全采矿技术与岩土工程的稳定性分析研究 0引言

传统的光面爆破中大多选用不耦合装药结构，此种装药方法可以有效减小直接作用于岩壁的爆破压力，减小对围岩的损伤[1]，其爆破后岩壁应力均匀分布。但炮孔周壁生成的随机径向裂纹仍相对较多，不利于光面爆破的径向裂纹的有效裂纹发展控制。采用定向致裂爆破，其周围岩壁的应力分布的不均匀，可以提高致裂的有效性，炮孔常见装药方式有切槽爆破装药[2]、切缝药包装药[3]、聚能药包装药[4]等，这种装药结构爆破后岩体的应力集中于需要爆破的方向，从而达到更加良好的爆破效果，其中采用切缝药包装药结构控制岩石断裂技术取得炮孔间裂纹扩展至裂隙贯通的效果显著。

戴俊等[5]分析了切缝管切缝宽度的影响因素，利用数值方法研究切缝药包岩石定向断裂爆破炮孔间贯通裂纹的形成机理，提出切缝管切缝宽度和爆破形成的初始导向裂纹计算方法。吴丙权[6]基于弹塑性理论，运用数值模拟方法分析切缝药包控制爆破初始裂缝的形成过程。瑞典学者Langefors[7]试验研究切缝药包的不耦合系数与裂缝扩展关系，提出了炮孔间裂纹扩展长度和不耦合系数间变化规律，获得了裂纹扩展效果最佳时的最优不耦合系数参数。蒲传金等[8]通过理论和实验研究了切缝药包爆破的聚能效应和护壁作用机理，确定了最佳装药不耦合系数。张志雄等[9]通过实验室模型试验研究切缝外壳参数、不耦合系数对裂纹定向扩展的影响，试验验证了爆破参数设计的合理性。

采用显式动力分析软件LS-DYNA数值模拟方法研究切缝药包炮孔间裂纹的起裂、扩展至贯通，改变了国内外众多学者切缝药包爆破中无法考虑岩石单元失效作用，可直观展示裂缝的扩展[10]。李显寅等[11]通过切缝药包爆破数值模拟结果表明，切缝药包爆破的切缝处具有明显的剪应力作用，该剪应力将使爆破裂纹从切缝处起裂并形成定向断裂成缝。过江[12]等基于LS-DYNA动力有限元程序，分析了空气和水作为径向耦合介质下光面爆破裂纹发展规律，提高了爆破参数对工程施工效果影响。

然而，径向不耦合数系对矿山巷道爆破工程的影响显著。大量的爆破研究中，径向不耦合系数对裂纹贯通的精细影响研究较少。采用精细建模和可视化的分析方法，对切缝药包爆破参数及裂纹扩展演化规律的精细分析，有利于提高工程爆破效果。

1数值模型构建

1.1 CAD导入建模

模型尺寸大小为60cm×90cm，炮孔之间的距离为60cm，炮孔中心至爆破自由面的距离设置为70cm，炮孔直径设置为45mm，药卷直径设置为30mm，切缝管厚度为2mm，切缝管切缝宽度[5]为6mm，模型中的切缝管采用45#钢材料，炮孔连心线穿过切缝药包切缝口。利用AUTO CAD软件建立切缝药包双孔爆破模型，并将其输出为“.sat”文件导入到ANSYS中进行模型修复[13-14]，实现复杂材料模型的数字建模。为模拟出爆破裂纹效果，通过LS-DYNA关键字MAT_ADD_EROSION定义岩石单元失效[15]进而模拟出裂纹的效果，获得光面爆破裂纹扩展时空演化过程。为减少数值计算量，取模型剖面进行计算，厚度方向取为2mm，选取Solid 164单元，CAD和网格模型如图1。

图1 CAD模型与计算网格模型的构建

Fig.1 CAD model and the finite element model

1.2 算法选择

计算中岩体、切缝管单元为拉格朗日单元，炸药及不耦合质空气采用单物质的ALE算法，炸药、空气等流体物质与岩体、切缝管拉格朗日单元采用流固耦合处理，利用流固耦合作用将炸药爆炸后的荷载传递到切缝管和岩体上，模拟岩体在爆炸荷载作用下的爆破效果。

1.3 材料参数

1.3.1材料参数

炸药采用2#岩石炸药，材料参数如表1所示。

表1 2#岩石炸药材料参数

Table1 Properties of 2# explosive

密度ρ/kg·m-3 爆速D/m·s-1 爆 压PCJ/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω E

1240 3200 3.5 214.4 0.182 4.20 0.90 0.15 4.192 炸药状态方程（JWL方程）[16]如式（1）所示：

VEeVRBeVRAPVRVR212111 （1）

式（1）中：P为爆轰压力，V为相对体积；A、B、R1、R2、为炸药材料常数；E是单位体积比内能。

空气采用空白材料模型，在k文件中采用MAT_NULL材料模型[17]定义，参数如表2所示。

表2 空气材料及其状态方程参数

Table 2 Properties of air and equations

密度ρ/kg·m-3 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6

1.29 -1×10-5 0 0 0 0.4 0.4 0

空气的状态方程见式（2）：

ECCCCCCCP2654332210 （2）

式（2）10；空气密度取1.29kg/m3；0为材料密度。初始内能E取0.25MPa。

1.3.3 岩石材料参数

岩体介质材料选取连续、均匀、各向同性的弹塑性材料模型[18]，参数如表3所示。

表3 岩体材料物理力学参数

Table 3 Mechanical properties of rock

密度ρ/kg·m-3 弹性模量E/GPa 切线模量Et/GPa 屈服强度/MPa 泊松比

2700 68.69 40 75 0.228

1.3.4 切缝管材料参数

采用切缝药包爆破模型，切缝管材受爆破高温高压作用，力学状态难以准确的描述，在爆炸初期，切缝管具有一定的强度，随爆破进行，切缝管被挤压变形，并在爆轰作用下发生破坏[19]，切缝管选择理想弹塑性的45#钢材料[20]，参数如表4所示。

表4 切缝管材料参数

Table 4 Properties of split-tube

密度ρ/kg·m-3 剪切模量G

/GPa A/GPa B/GPa m

7830 77 79.2 51 1.03

1.4 岩石失效准则

爆炸荷载作用下的岩体破坏屈服准则不同于静载作用，爆破中拉应力破坏是形成炮孔间