
兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (12): 4246-4258.doi: 10.12382/bgxb.2024.0250
陶子豪1,2, 李祥龙1,2, 胡启文1,2,*(
), 王建国1,2
收稿日期:2024-04-07
上线日期:2024-12-30
通讯作者:
基金资助:
TAO Zihao1,2, LI Xianglong1,2, HU Qiwen1,2,*(
), WANG Jianguo1,2
Received:2024-04-07
Online:2024-12-30
摘要:
掏槽爆破是巷道掘进单自由面爆破的关键。为探究空孔对掏槽爆破效果的影响,基于空孔作用理论,利用有限元-粒子流耦合方法,建立单空孔掏槽爆破三维数值模型,并结合现场掏槽爆破试验结果,分析多段掏槽爆破空孔附近岩石应力分布特征,岩石破碎、抛掷及槽腔成形过程对空孔响应规律。研究结果表明:空孔对近场岩石应力场的分布具有导向作用,并在空孔周围形成明显的应力集中效应,增加应力高峰值区范围,进而为后续爆破提供有利条件;岩石抛掷效果以及槽腔大小与空孔之间表现出强相关性,单空孔掏槽爆破与无空孔相比,抛掷速度提升34.7%,抛掷效率提高了10.2%,现场试验中腔体体积增加17.1%,掏槽深度增加了16.3%,但槽腔整体形状变化不明显;研究结果对实际掏槽爆破参数设计和优化提供了部分理论依据。
中图分类号:
陶子豪, 李祥龙, 胡启文, 王建国. 掏槽爆破成腔空孔效应数值模拟研究与分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(12): 4246-4258.
TAO Zihao, LI Xianglong, HU Qiwen, WANG Jianguo. Study and Analysis on Numerical Simulation of Empty Hole Effect Induced by Cutting Blasting[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(12): 4246-4258.
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ0/(kg·m-3) | 2600 | G/GPa | 13.9 |
| A | 0.55 | B | 1.23 |
| C | 0.0097 | Np | 0.76 |
| fc/MPa | 65 | T/MPa | 4 |
| EPS0 | 1×10-5 | EFmin | 0.01 |
| Smax/MPa | 20 | pcrush/MPa | 20 |
| μcrush | 0.00125 | plock/MPa | 30 |
| μlock | 0.174 | K1/GPa | 39 |
| D1 | 0.04 | K2/GPa | -223 |
| D2 | 1 | K3/GPa | 550 |
| FS | 1 |
表1 JHC本构模型材料参数
Table 1 Material parameters of JHC constitutive model
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ0/(kg·m-3) | 2600 | G/GPa | 13.9 |
| A | 0.55 | B | 1.23 |
| C | 0.0097 | Np | 0.76 |
| fc/MPa | 65 | T/MPa | 4 |
| EPS0 | 1×10-5 | EFmin | 0.01 |
| Smax/MPa | 20 | pcrush/MPa | 20 |
| μcrush | 0.00125 | plock/MPa | 30 |
| μlock | 0.174 | K1/GPa | 39 |
| D1 | 0.04 | K2/GPa | -223 |
| D2 | 1 | K3/GPa | 550 |
| FS | 1 |
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ0/(kg·m-3) | 1100 | pcj /GPa | 4.6 |
| D/(m·s-1) | 4500 | a/GPa | 62.5 |
| b/GPa | 2.32 | R1 | 3.6 |
| R2 | 1.6 | ω | 0.41 |
| E0/GPa | 3.15 | V | 1 |
表2 JWL模型参数
Table 2 JWL model parameters
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρ0/(kg·m-3) | 1100 | pcj /GPa | 4.6 |
| D/(m·s-1) | 4500 | a/GPa | 62.5 |
| b/GPa | 2.32 | R1 | 3.6 |
| R2 | 1.6 | ω | 0.41 |
| E0/GPa | 3.15 | V | 1 |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| γsat /(kN·m-3) | 17 |
| Gs/MPa | 2.524 |
| K/MPa | 4673 |
| A0~A2/MPa | 0.001,0.0049,0.0079 |
| pi/MPa | -0.005 |
表3 MAT_SOIL_AND_FOAM材料参数
Table 3 MAT_SOIL_AND_FOAM material parameters
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| γsat /(kN·m-3) | 17 |
| Gs/MPa | 2.524 |
| K/MPa | 4673 |
| A0~A2/MPa | 0.001,0.0049,0.0079 |
| pi/MPa | -0.005 |
| p/MPa | ln(V/V0) | p/MPa | ln(V/V0) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 800 | -0.1878 |
| 100 | -0.0216 | 1000 | -0.2408 |
| 200 | -0.0437 | 2000 | -0.5586 |
| 400 | -0.0895 | 3000 | -1.0272 |
| 600 | -0.1374 | 4000 | -1.9380 |
表4 土的压力-应变值
Table 4 Pressure-strain values of soil
| p/MPa | ln(V/V0) | p/MPa | ln(V/V0) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 800 | -0.1878 |
| 100 | -0.0216 | 1000 | -0.2408 |
| 200 | -0.0437 | 2000 | -0.5586 |
| 400 | -0.0895 | 3000 | -1.0272 |
| 600 | -0.1374 | 4000 | -1.9380 |
| 炮孔类型 | 孔深/m | 孔径/mm | 炸药类型 | 装药类型 | 单孔装药量/kg | 延期模式 | 延期时间/ ms | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 孔号 | 药量 | |||||||
| 掏槽孔 | 1~4 | 9 | ||||||
| 辅助掏槽孔 | 3.2 | 50 | 1号岩石乳化炸药 | 连续装药 | 5~8 | 9 | 分段起爆 | 25 |
| 空孔 | 100 | |||||||
表5 掏槽爆破装药参数
Table 5 Charge parameters of cutting blasting
| 炮孔类型 | 孔深/m | 孔径/mm | 炸药类型 | 装药类型 | 单孔装药量/kg | 延期模式 | 延期时间/ ms | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 孔号 | 药量 | |||||||
| 掏槽孔 | 1~4 | 9 | ||||||
| 辅助掏槽孔 | 3.2 | 50 | 1号岩石乳化炸药 | 连续装药 | 5~8 | 9 | 分段起爆 | 25 |
| 空孔 | 100 | |||||||
| 药卷 长度/ mm | 药卷 直径/ mm | 单卷 质量/ g | 爆速 m/s | 爆力 值/ mL | 猛度/ mm | 殉爆 距离/ cm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 300 | 32 | 300 | 4500 | 320 | 16 | 4 |
表6 炸药相关参数
Table 6 Related parameters of explosives
| 药卷 长度/ mm | 药卷 直径/ mm | 单卷 质量/ g | 爆速 m/s | 爆力 值/ mL | 猛度/ mm | 殉爆 距离/ cm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 300 | 32 | 300 | 4500 | 320 | 16 | 4 |
| 试验类型 | 掏槽类型 | 掏槽 深度/m | 槽腔口 尺寸/m | 槽腔体 积/m3 |
|---|---|---|---|---|
| 现场试验 | 无空孔掏槽 | 1.59 | 1.17×1.12 | 1.81 |
| 单空孔掏槽 | 1.85 | 1.21×1.19 | 2.12 | |
| 数值模拟 | 无空孔掏槽 | 1.55 | 1.36×1.49 | 2.58 |
| 单空孔掏槽 | 1.67 | 1.58×1.57 | 2.79 |
表7 试验槽腔尺寸参数对比
Table 7 Comparison of test cavity size parameters
| 试验类型 | 掏槽类型 | 掏槽 深度/m | 槽腔口 尺寸/m | 槽腔体 积/m3 |
|---|---|---|---|---|
| 现场试验 | 无空孔掏槽 | 1.59 | 1.17×1.12 | 1.81 |
| 单空孔掏槽 | 1.85 | 1.21×1.19 | 2.12 | |
| 数值模拟 | 无空孔掏槽 | 1.55 | 1.36×1.49 | 2.58 |
| 单空孔掏槽 | 1.67 | 1.58×1.57 | 2.79 |
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