不同位置减震沟对爆破效果影响数值模拟研究

张袁娟 ， 向 彬

(1.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；2.湖北宜化集团矿业有限责任公司，湖北 宜昌 443100)

随着爆破技术的普遍应用，爆破振动成了不能忽视且亟待解决的问题。减震沟由于操作简单，降振效果较好，在爆破施工过程中得到了广泛的应用。文献[1]通过减震沟的最佳深度、最佳宽度、最佳长度和最佳位置进行分析，得出各影响因素对减震效果的影响权重关系；文献[2]运用数值模拟软件LS-DYNA，研究不同高程条件下减震沟的减震效果，得出高程对爆破效果有一定的影响，正高差对减震效果更为明显的结论；文献[3]为了研究减震沟的减震效果，运用LS-DYNA数值模拟软件，对有无减震沟的工程进行对比分析，得出减震沟的最高减震可以达到70%，从理论上阐述了减震沟的降振作用。相关学者对减震沟的减震作用进行了大量的研究，本文基于以前学者的研究基础，运用大型动力分析软件LS-DYNA结合现场试验，对减震沟与爆源的位置对爆破效果的影响进行分析，以期扩充减震沟对爆破效果影响的理论。

1 模型的建立

1.1 炸药材料参数及控制方程

高能炸药模型MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN能较好地反应爆破过程。JWL是专为描述炸药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方程[4-6]，其表达式为：

(1)

式中：V为体积变化；P为压力，Pa；R1、R2、ω、B和A是材料常数；E0为初始比内能。

为了能更好地模拟实际工况，数值模拟中选用密度950 kg/m3和爆轰速度3 600 m/s的2号岩石乳化炸药进行数值模拟。

1.2 空气控制方程以及参数选取

LS-DYNA软件中的MAT＿NULL材料以及线性多项式状态方程能较好地反映空气的气体动力学属性，方程形式为：

P=C1+C2η+C3η2+(C4+C5η+C6η2)E

(2)

η=1/V-1

式中：P是压力，Pa；C1～C6为常数；V是初始相对体积；E为内能与初始体积之比；η为比体积。

空气的参数如表1所示。

表1 空气参数选取

1.3 数值模拟模型构建

根据具体土石方平整场地爆破工况模型，分别建立减震沟距离爆源15 m、25 m和无减震沟模型。以无减震沟模型为基准模型，建立3种工况数值模拟模型，其中爆破参数依据现场中深孔爆破工况进行选取，主爆孔直径90 mm，炮孔深度10.5 m，堵塞长度3 m，其中超深0.5 m，最小抵抗线3 m，装药方式均采用耦合装药方式，起爆方式采用底部起爆，建模采用的单位均为m-s-kg，在两种工况中减震沟宽2 m、深3 m，计算时间为0.05 s。为了降低数值模拟中炸药产生的爆轰波在基岩中的传播，因此模型的底部建立0.5 m的岩石，侧面和底部均设置为无反射边界，两种工况数值模拟剖面如图1和图2所示，岩石力学参数参照相关文献选取，见表2。

图1 无减震沟模型截面图(m)

图2 有减震沟模型截面图(m)

表2 数值计算中采用的岩石力学参数

2 模拟计算与结果分析

利用LS-DYNA中的爆轰过程模拟功能，直接输入炸药参数，通过炮孔内爆轰模拟和爆轰产物与孔壁的相互作用来确定爆炸荷载[6-7]。选取模型中心线距离爆源15 m和25 m的节点为原点，见图3。分析两种不同工况的选取节点的峰值振速，爆破振动峰值振速典型历程曲线如图4所示。沿着模型中心线从减震沟右边缘起依次以10 m为步距选取相应节点，提取5个节点垂直向、水平径向和水平切向峰值振速，如表3所示。

图3 节点选取示意

图4 峰值振速典型历程曲线图

由表3的节点速度可以直观地看出，减震沟有显著的降振作用。3种工况中，距离爆源15 m的工况和距离爆源25 m工况的减震沟对爆破效果均有较好的减震效果。节点D1处因距离爆源较近，峰值振速较大，其余各点峰值振速随着距离爆源距离的增加而衰减，符合爆破振动衰减的规律。减震沟距离爆源25 m工况的爆破振动峰值振速小于距离爆源15 m工况。减震沟增加了体波和面波的传播距离，不同位置减震沟对爆破峰值振速有较大影响，因此现场减震沟的开挖位置应结合具体的工况、距离被保护物的距离进行设置。

3 现场试验

为了验证不同位置减震沟对爆破效果影响分析，选择贵州遵义某土石方项目进行现场试验。由于施工现场临近民房，民房大多为砖混结构，需要严格控制爆破振动。结合工程实际工况，在优化爆破参数的基础上设置减震沟，以达到更优的减震效果，降低爆破危害。爆破施工中采用 90 mm 孔径，孔深 11 m，孔距和排距均为 4 m，其中超深1 m，起爆方式为孔底起爆。现场测振监测实验使用成都中科动态仪器有限公司生产的EXP4850爆破振动仪及配套的速度传感器，分别选择在岩石类型相同的两次爆破施工中进行。减震沟宽2.5 m、深3.5 m，一条减震沟距离爆源30 m，一条距离爆源40 m，减震沟由机械设备完成。选取相同爆源区域、相同爆心距民房基础处作为监测点，进行爆破振动监测对比实验，各测点峰值振速对比如表4所示。

表3 两种工况峰值振速对比

表4 两种不同工况现场实验峰值振速对比

由于保护对象为砖混结构，根据《爆破安全规程》( GB6722 -2003) ，为保证被保护砖混民用建构筑物的绝对安全，爆破振动的最大峰值振动速度不应大于 1.0 cm/s。由表3 可知，爆破振动监测数据均未超过规定值，因此被保护建筑物是安全的。但是由于此土石方工程工期较长，爆破存在累积效应，因此，爆破振动的作用越小越好。由表3数据分析可知，减震沟设置离爆源较近的，爆破振动峰值小，因为爆破能量的衰减绝大部分在爆破近区完成，减震沟离爆源越近，爆破减震效果越好。因此减震沟的设置应根据实际工况以距离爆源较近为宜，补充验证了数值模拟部分结论。

4 结 语

本文从峰值振速的衰减角度对不同位置减震沟的减震效应进行了分析并结合现场试验进行论证，得出以下结论：

1) 减震沟对爆破能起到很好的降振作用；

2) 对减震沟距离爆源不同位置两种工况的减震效应进行数值模拟分析，数值模拟的方法能很好地弥补减震沟距离爆源太近仪器不能监测的缺点，更好地再现减震沟的减震效果。减震沟的减震效果和距离爆源的位置有关系。现场试验进行验证，得到相同的减震规律，对在现场根据实际工况选择合适的减震沟位置提供了理论基础；

3) 数值模拟过程中由于划分网格的多少和方法不同导致计算结果不同，但是对其规律性无影响。

随着减震沟在实际工况中的应用越来越多，减震沟减震效果理论亟待进一步扩充。减震沟的宽度、深度以及减震沟中填充物不同等对爆破效果的影响将是下一步研究的内容。