基于流固耦合的巖巷快速掘進(jìn)爆破數(shù)值模擬

基于流固耦合的巖巷快速掘進(jìn)爆破數(shù)值模擬

基于巖石隧道快速挖掘技術(shù)的迫切需要，克服開挖不平衡、節(jié)約資源、高效建設(shè)高產(chǎn)水井的迫切需要。道路快速挖掘是國內(nèi)外礦漿工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前國內(nèi)外提高掘進(jìn)爆破效率的研究大致有2個(gè)方面:一是從優(yōu)化爆破參數(shù)著手,另一方面是從爆炸能量合理利用控制角度考慮。為了克服普通爆破和光面爆破的不足及滿足復(fù)雜條件下巖體定向斷裂控制爆破的需要,國內(nèi)外不少專家和學(xué)者在爆炸能量充分利用和控制方面進(jìn)行了大量理論和探索性試驗(yàn)研究,聚能爆破技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生?；贏NSYS_LS-DYNA對(duì)2種爆破模型的爆破全過程進(jìn)行了模擬與分析,在爆轟波傳遞的角度說明聚能爆破在巖巷快速掘進(jìn)中的具體優(yōu)勢(shì)。1用聚能藥包制作根據(jù)聚能爆破原理,即利用聚能槽引導(dǎo)爆生氣體產(chǎn)生高溫、高壓、高速度的氣流或者射流切割破碎巖體,在工程應(yīng)用中常常采用制作聚能藥包、炸藥管切縫以及制作帶有聚能槽的藥型罩等方式。采用了帶有2個(gè)對(duì)稱聚能槽的藥型罩作為數(shù)值模擬的研究對(duì)象。1.1網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格劃分本次模擬實(shí)驗(yàn)基于動(dòng)力學(xué)方程為前提采用了流固耦合方法,運(yùn)用顯示算法對(duì)模型爆破過程進(jìn)行計(jì)算。采用solid162實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為避免Lagrange單元網(wǎng)格的形狀畸變可能導(dǎo)致計(jì)算中斷、計(jì)算結(jié)果不可信等問題,在計(jì)算中采用多物質(zhì)ALE方法,其中炸藥爆炸單元采用Euler單元,其余藥罩、空氣、巖石等被爆炸單元均采用Lagrange單元;同時(shí)巖石與藥罩,藥罩與空氣之間通過定義流固耦合實(shí)現(xiàn)爆炸過程的模擬。1.2爆破模型的建立當(dāng)藥包置于巖石內(nèi)部時(shí),垂直于巖巷面方向未受到或受到較為微小的應(yīng)力,在模擬實(shí)驗(yàn)中可忽略不計(jì),因此本次實(shí)驗(yàn)中所建立的2種模型均建立為平面應(yīng)力模型。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭惺褂玫钠鸨绞綖辄c(diǎn)起爆式。利用有限元軟件ANSYS中的LS-DYNA模塊建立了2種平面模型:一種是普通爆破模型(無聚能槽),一種是帶有2個(gè)對(duì)稱聚能槽藥性罩的聚能爆破模型。整個(gè)建模過程采用mm-g-μs單位制。圖1(a)為普通爆破模型,由乳化炸藥、空氣、PVC藥型罩以及外圍巖石(以中粒砂巖為主)材料構(gòu)成;其中,炸藥層半徑為20mm,空氣層厚度為10mm,藥型罩厚度為5mm,為充分模擬炸藥在完全約束條件下的爆破效果,外圍巖石材料半徑選為藥型罩的100倍,為5000mm。圖1(b)為聚能爆破模型,基本構(gòu)成材料、炸藥層半徑、藥型罩厚度參數(shù)與普通裝藥模型保持一致,其中聚能槽的角度設(shè)為40°,考慮到炸藥爆炸膨脹時(shí)體積的擴(kuò)大倍數(shù)很大(約1000倍以上),故空氣層部分的影響可以忽略不計(jì)。1.3模型材料參數(shù)本次模擬中涉及乳化炸藥、PVC聚能罩2種介質(zhì)相關(guān)參數(shù)見表1和表2。2結(jié)果和分析2.1爆破能量傳遞圖2是2種模型在相同時(shí)間點(diǎn)時(shí)的爆破效圖。模擬結(jié)果顯示,普通爆破模型爆破時(shí)爆破能量呈均勻分布傳遞,而聚能爆破模型在聚能槽方向上爆炸能量有明顯地匯聚傳遞效應(yīng)。同時(shí)聚能爆破模型下的巖石破碎范圍較小,約為普通爆破模型巖石破碎范圍的1/4,表明在聚能槽作用下3/4的爆炸能量被匯聚到了聚能槽方向進(jìn)行傳遞。2.2爆破壓力變化規(guī)律理論可知,當(dāng)爆轟波傳遞至測(cè)點(diǎn)時(shí),該測(cè)點(diǎn)處壓力達(dá)到峰值,由此可跟蹤記錄爆轟波的傳遞特征。在本次模擬實(shí)驗(yàn)中利用后處理程序LS-PREPOST對(duì)兩種模型運(yùn)算過程中巖石所受到的壓力進(jìn)行處理計(jì)算,得到相應(yīng)的壓力-時(shí)間曲線,根據(jù)曲線圖我們可以得到爆轟波的傳遞特征。圖3是在2種爆破模型的爆破影響區(qū)內(nèi),沿著水平徑向和垂直徑向兩方向距爆破中心50mm處各取一點(diǎn),利用程序輸出各點(diǎn)處壓力隨時(shí)間的變化曲線。由曲線圖可以看出:普通爆破模型沿水平和垂直徑向測(cè)點(diǎn)的壓力峰值大致相同,約為0.23GPa,聚能爆破模型沿水平和垂直徑向測(cè)點(diǎn)壓力峰值分別約為0.21GPa和0.42GPa。普通爆破模型沿水平和垂直徑向測(cè)點(diǎn)達(dá)壓力峰值所需時(shí)間大致相同,約為21μs,聚能爆破模型沿水平和垂直徑向測(cè)點(diǎn)達(dá)壓力峰值所需時(shí)間分別約為12μs和13.5μs。圖4是在2種爆破模型的爆破影響區(qū)內(nèi),沿著各模型水平徑向和垂直徑向2個(gè)方向上以相同距離間隔d(d=100mm)各取6個(gè)點(diǎn),利用后處理程序程序輸出各點(diǎn)壓力峰值大小以及達(dá)到該峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,后經(jīng)處理所得到的各點(diǎn)壓力峰值隨時(shí)間的變化曲線。由圖3、圖4可以看出:2種模型的爆轟波壓力均隨時(shí)間逐漸衰減。沿水平徑向方向爆轟波最大壓力,普通爆破模型約為0.18GPa,聚能爆破模型約為0.37GPa,約為普通爆破模型的2.1倍;沿垂直徑向方向爆轟波最大壓力,普通爆破模型與聚能爆破模型大致相同,約為0.18GPa。聚能爆破模型垂直徑向、普通爆破模型水平徑向、普通爆破模型垂直徑向3種情況的爆轟波壓力曲線變化趨勢(shì)大致相同,聚能爆破模型水平徑向的爆轟波壓力明顯高于以上3種情況。綜合分析圖3、圖4可以得出不同模型下爆轟波的傳遞特征:1)非聚能方向上,爆轟波所產(chǎn)生的作用力大致相同;聚能方向上,爆轟波所產(chǎn)生的作用力較大,約為非聚能方向的1.83倍,提高了近85%。2)同一模型爆轟波沿不同方向傳遞速度大致相同,而同一方向上聚能爆破模型爆轟波傳遞速度較快,約為普通爆破模型1.75倍,提高了約75%。3爆破能量分布1)聚能爆破通過聚能槽定向匯聚能量傳遞,匯聚能力較普通爆破提高了75%,整體改善了爆炸能量的分布。2)聚