城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究

城镇浅孔爆破逐孔起爆合理延时的研究
高腾飞;张智宇;王鑫尧;马军;李祥龙
【摘要】Taking the blasting excavation project of a deep foundation trench in Kunming as the background,the 3D calculation model of short-hole blasting by hole-by-hole initiation was established to simulate the stress time-his-tory and the paticular peak velocity of different delay time,and got the reasonable interval time of hole-by-hole initia-tion . The results of simulation show that the delay time 35 ms or 50 ms can get
good rock fragment effects,but the pa-ticular peak velocity of delay time
35 ms smaller,so the hole-by-hole initiation whith 35 ms interval can get better effects according to the required loosening blasting of project. The results of field test also proved that the plan of de-lay time 35 ms can get the best effects from comprehensive consideration of rock fragment,fly rock and blasting vi-bration,validated the results of numerical simulation.%以昆明市某深基坑爆破开挖工程为背景，构建浅孔逐孔起爆的三维数值计算模型，对不同延时的应力时程和质点峰值振速进行数值模拟，获得浅孔逐孔起爆的合理延时。

模拟研究结果表明：延时35 ms、50 ms均可获得良好的岩石破碎效果，但
延时35 ms引起的质点峰值振速更小，故针对工程要求的松动爆破，延时35 ms
的逐孔起爆模型效果更佳。

现场试验结果表明：延时35 ms的方案从岩石破碎、
飞石及振动等各方面综合来看，效果是最佳的，验证了数值模拟计算结果的正确性。

【期刊名称】《爆破》
【年(卷),期】2016(033)001
【总页数】6页(P78-83)
【关键词】浅孔爆破;逐孔起爆;合理延时;数值模拟
【作者】高腾飞;张智宇;王鑫尧;马军;李祥龙
【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093
【正文语种】中文
【中图分类】U455
近十多年来,国内外露天深孔浅孔爆破和土石方开挖工程爆破中大量采用了逐孔起爆技术[1]。

逐孔起爆技术主要的特点是降低爆破振动、有效利用爆炸能、改善爆破质量、提高铲装效率、降低穿爆成本。

要实现逐孔起爆技术效果，一定要有一个合理的孔间毫秒延时时间，对改善爆破质量和降低地震效应具有十分重要的作用[2]。

目前，针对不同的岩体，选择合适的最优爆破参数和最佳毫秒延时时间仍是需要解决的技术难题[3]，国内外许多学者在这方面做了大量的研究[4]，但目前还主要局限在理论计算和经验取值，这样得出的延时时间往往不一定适合实际情况。

由于实现孔间毫秒延时爆破的关键是合理确定毫秒延时时间[5]，而爆破过程的复杂性，限制了对爆破毫秒延时时间机理的深入研究，故考虑利用数值模拟技术，再现爆破过程，模拟不同毫秒延时时间的爆破效果。

因此从研究特定岩石在双孔爆破作用下不同毫秒延时时间所产生的影响出发，根据工程的岩石力学性质，进行了数值模拟计算。

目的是观察岩石介质在双孔毫秒延时爆破作用下应力响应情况，以此分析寻找合理的延时时间，为爆破参数优化提供参考数据。

数值模拟软件的选择取决于数值模拟目的，数值模拟计算类似于现场试验，可在一定程度上反映工程实际情况。

ANSYS/LS-DYNA程序是目前国际上用于动态模拟
的最主要技术之一，被广泛用于民用、军用等工程领域，故数值模拟软件最终选择采用LS-DYNA。

1.1 工程概况
昆明市某深基坑爆破开挖工程，设计开挖石方总量20万m3，场地以侏罗系上统
安宁组(J3a)中等风化钙质泥岩为主。

由于爆区周围环境复杂，离基坑最近的砖混
结构房屋只有12m，故选择采用浅孔逐孔毫秒延时松动爆破。

为防止振动波的叠
加和振动对周围环境的影响，必须严格控制最大单孔药量、一次起爆总药量和孔间延时[6]，爆破参数见表1。

1.2 炸药材料模型
炸药采用高能炸药材料模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)描述[7]，该模型可
以模拟炸药的爆轰过程。

炸药采用1号岩石乳化炸药，结合JWL状态方程[8]，来模拟炸药爆炸过程中的压力与体积的关系
式中：P为爆轰气体产物的压力；A、B为材料常数；R1、R2、ω为无量纲常数；V为爆轰产物相对体积；E0为炸药的初始比内能。

1号岩石乳化炸药(密度为1200 kg/m3，爆速为4500 m/s)的JWL状态方程参数见表2。

1.3 岩石本构关系
由于岩石是一种非连续的、各向异性的、非均质的并且带有缺陷的流变介质，很难进行定量分析。

弹塑性模型与工程实际具有更好的契合度，能够较好的反映岩体的实际特征。

故岩石的本构关系采用LS-DYNA中的弹塑性硬化材料模型
(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)描述，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)加以描述，同时带有失
效应变。

由于MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型不能考虑岩石材料的抗拉强度，使用MAT_ADD_EROSION选项来设置岩石的抗拉强度[9]。

岩石材料的基本力学参数如表3所示。

1.4 计算模型构建
本次数值模拟采用3D solid164单元类型，岩石和炸药的材料模型和参数如上分析所述。

以不小于炮孔的三倍孔距和排距大小建立三维浅孔爆破模型，模型中设置两个炮孔，炮孔直径40 mm，孔深2.75 m，最大单孔药量1.2 kg，模型高度4 m，炮孔内顶部自由面至底部分别为：填塞材料1.5 m、药柱高度1.25 m和预留1.25 m的岩石底部。

建立的1/2模型尺寸为20 m×3.5 m×4 m，模型尺寸和炮孔布置如图1所示。

本工程爆破时大部分情况下只有爆区上方地表面有自由面，数值模拟时亦将模型的上方地表面定义为自由面，模型的其余面则设置为无反射边界条件。

模型网格划分如图2所示。

通过数值模拟计算可得到模型特定位置处应力时程曲线、速度时程曲线、加速度时程曲线等并能显示应力、速度、加速度等参量的最大、最小值。

参考国内部分工程逐孔爆破实际应用的毫秒延时间隔时间，选取25 ms、35 ms、50 ms、75 ms四种延时建立逐孔起爆数值计算模型，并进行计算分析。

2.1 应力分布云图
图3为延时35 ms的逐孔起爆岩体顶部自由面不同时刻的应力分布云图。

分析图3可知：
(1)结合图3(a)～图3(c)可以看出：第1炮孔起爆后，应力波以爆源为中心，随着时间的推移向四周传播。

不到1 ms，应力波到达顶部地表自由面，应力波和反射波发生干涉。

(2)结合图3(d)～图3(f)可以看出：第35 ms时刻第2炮孔开始起爆，第37 ms 时刻应力波传播到顶部地表自由面并开始反射，第38 ms时刻炮孔间应力波相互
叠加、应力值明显加强，能够增强对岩石的破坏作用。

此外，从云图上不同颜色(代表不同的应力值)的分布状况可以看出不同区域应力值加强的程度有所不同。

第39 ms时刻炮孔间应力波相互叠加明显，而应力值却开始迅速减弱。

2.2 单元体应力时程
为了研究不同延时对岩石破碎效果的影响，选取不同延时的计算模型顶部自由面炮孔连线中点同一提取单元进行爆破应力波分析，见图4。

分析图4可知：(1)25 ms、35 ms、50 ms、75 ms四种毫秒延时逐孔起爆模型炮孔连线中点处最大应力值分别为1.3125 MPa、1.3005 MPa、1.3083 MPa、1.3089 MPa，均大于爆区岩石的抗拉强度1.3MPa，能满足岩石破碎的要求。

为使岩石碎而不抛，炮孔连线中点处最大拉应力应略大于岩石抗拉强度即可。

基于以上分析，延时35
ms的逐孔起爆炮孔连线中点最大应力值在4组应力值中最小，刚好大于1.3 MPa，是达到岩石碎而不抛要求的最佳方案。

(2)35 ms、50 ms两种毫秒延时逐孔起爆模型炮孔连线中点处最大应力值出现次
数较多，说明采用这两种延时进行逐孔起爆炮孔间应力波叠加效果较好，应力加强区出现的周期缩短，可增加对岩石的破碎次数，从而改善岩石破碎效果。

综上所述，35 ms、50 ms两种毫秒延时逐孔起爆模型均能获得良好的岩石破碎效果。

其中，延时35 ms的逐孔起爆方案对于满足松动爆破要求效果更佳。

2.3 节点峰值振速时程
合理延时的确定还应考虑对爆破振动的影响。

为此，选取不同延时的计算模型顶部自由面距离爆心10 m同一提取节点进行质点峰值振速分析，见图5。

由图5可知：
(1)25 ms、35 ms、50 ms、75 ms四种毫秒延时逐孔起爆模型质点峰值振速最大值分别为：0.17871 cm/s、0.16607 cm/s、0.17233 cm/s、0.18289 cm/s，出现时刻分别在94 ms、93 ms、82ms、65 ms。

由此可见，在距离爆心10 m处，
采用不同毫秒延时进行逐孔起爆其相应的质点峰值振速最大值出现时刻均滞后于第2炮孔起爆时间，说明距离爆心10 m处位于应力加强区。

(2)四种毫秒延时逐孔起爆模型距爆心10 m处质点峰值振速相差最大约0.016
cm/s，延时35 ms的逐孔起爆模型质点峰值振速最小，延时50 ms的次之。

根据前面优选的延时35 ms和50 ms两种方案在现场进行了三次对比试验，图6是其中一次试验后的爆破效果。

从现场观察来看，三次对比试验爆后岩体破碎效果均较好。

其中，延时35 ms的
爆破爆后爆堆比较集中，没有产生飞石，达到了最好的松动爆破效果；延时50
ms的爆破爆后爆堆也相对集中，但是产生了一些飞石，对周围环境安全相对不利。

对三次对比试验进行了爆破振动测试，除延时外，其他参数不变，测点距离均为
20 m，结果见表4。

从爆破振动测试结果来看，三次试验延时35 ms的振动均比延时50 ms的振动小。

故从爆破效果和飞石及振动等安全因素综合考虑，延时35 ms应为最佳方案，和
数值模拟计算结果一致。

(1)构建了浅孔逐孔起爆的三维数值计算模型，对不同延时的应力时程和质点峰值
振速进行了数值模拟，根据模拟结果，延时35 ms、50 ms均可获得良好的岩石
破碎效果，但延时35 ms引起的质点峰值振速更小。

故针对工程要求的松动爆破，延时35 ms的逐孔起爆模型效果更佳。

(2)根据现场对比试验，延时35 ms的方案从岩石破碎、飞石及振动等各方面综合来看，效果是最佳的，和数值模拟计算结果一致，验证了数值模拟计算结果的正确性。

【相关文献】
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