第 37 2018 卷第 年 10 10 期 月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.37No.10 Oct. 2018 doi:10.13301/j.cnki.ct.2018.10.023 基于 LS-DYNA 的切缝药包爆破数值模拟分析 * 中国矿业大学 （ 陈帅志 北京 （ ， ） 陈正拜 付晓强 力学与建筑工程学院 林 海 ， ， 北京 ， 100083） 摘 要 通过 ： LS-DYNA 数值软件模拟了普通药包和切缝药包在岩石中的爆炸过程 爆炸过程中爆生产物的传播过程及炮孔壁空气应力值特性 切缝药包炸药内爆炸完成后 内的爆炸过程一致 的推动下向外移动 切缝方向岩石产生初始裂纹 ， 孔壁空气最先达到应力峰值且作用时间相对较长 爆生产物在切缝处聚集释放 应力明显大于非切缝方向 切缝药包定向断裂效果显著 结果表明 。 ， ； ； ， : 关键词 中图分类号 ： 普通药包 切缝药包 ； ； 定向断裂 文献标志码 ； ， 数值模拟 文章编号 。 ， 研究了 普通药包和切缝药包炸药 切缝管在爆生产物 ， 切缝药包切缝方向炮 ： 1008 － 8725（2018）10 － 0062 － 03 Numerical Simulation Analysis of Slotted Cartridge Blasting Based on ： TD235 ： A LS-DYNA CHEN Shuai-zhi, FU Xiao-qiang, CHEN Zheng-bai, LIN Hai (School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: Explosions of ordinary cartridge and slotted cartridge were simulated by LS-DYNA, leading to the attributes of explosion spreading process caused by blasting -inducing productions and air element pressure on the borehole wall. The results show that the explosions in ordinary cartridge and slotted cartridge were the same. Explosion in slotted cartridge, followed by blasting -inducing productions all released in the cutting seam. Cutting seam pipe moved downwards pushed by blasting- inducing productions. Rocks in the direction towards cutting seam had initial cracks, in which case, pressure involved was more severe than that in non-cutting-seam side. The first to reach peak pressure was the borehole air in the direction of cutting-seam side which took relatively long time to function and resulted in notable directional fracture. 0 Key words: ordinary cartridge； slotted cartridge； directional fracture； numerical simulation 前言 切缝药包定向断裂爆破 ， 可有效减少超挖 步在切缝方向累积 坏 纹 单孔条件下 需满足炮孔压力 加强了对切缝方向炮孔壁的破 岩石在切缝方向形成拉裂或剪裂裂 ， ， 。 ， 。 ， 被广泛应用于岩石爆破工程中 精确控制了爆生裂纹 极大地改善爆 欠挖 本文通过 研究了普通药包和切缝药包在岩石 为切缝药包机理的 的定向扩展 破效果 数值模拟方法 中的爆炸过程及动态力学参数 研究和现场推广应用提供理论参考 ， ， ， ， 、 。 1 、 、 ， ， ， 角度的切缝管中 由于切缝管的存在 切缝药包爆破机理 切缝药包是将炸药装填在具有一定厚度 实现岩石定向断裂爆破的目的 并开有不同宽度 的导向作用 缝药包爆破过程中 产物对炮孔作用的均衡性 冲击切缝管 反射回来形成反射冲击波 管的变形和位移 壁的损伤 成爆炸冲击波作用于切缝方向的炮孔壁 切缝对爆炸产物起到了导向作用 裂纹 强度 利用切缝对能量 在切 改变了爆炸 爆炸产物 大部分 还有部分能量用于切缝 这样大大减小了非切缝方向炮孔 形 形成初始 能量进一 产生少量透射波作用于炮孔壁 爆炸产物直接作用于空气 ， 非切缝方向 切缝方向 ， ， ， ， ， ， ， ， 。 。 。 ， 。 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 * 助 （51404273）； 高等学校学科创新引智计划项目资助 (2016YFC0600903)； 国 家 自 然 科 学 基 金 资 （B14006） 2 62 p> 1-v v Sdt （1） 其中 式中 ， p> 1-v （c-τ） （2） ； v——— Sdt——— τ=p1—p2 v·tan φ 切缝处炮孔壁应力差 岩石的泊松比 岩石的动态抗拉强度 岩石动态摩擦角 ； 岩石的动态内聚力 爆炸通过切缝直接作用在炮孔壁的应力 通过切缝管作用在炮孔壁的应力 p1——— φ——— c——— ； ； ； 。 p2——— 尽管式 （2） （1）、 只是经验公式 式 不能通过测量 计算精确得到结果 但为研究者定性定量地讨论炮 孔壁在切缝药包爆炸过程中开裂提供了一个可行的 研究思路 也为确定切缝药包的优化参数提供了可 靠的方法 ， ， ， 。 模型建立及参数选择 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 37 卷第 10 期 基于 LS-DYNA 的切缝药包爆破数值模拟分析 陈帅志 等 ， ——— Vol.37No.10 （a）t=0.299 μs （b）t=0.448 μs 1 mm。 岩石 炸药 （c）t=1.048 μs （d）t=1.849 μs （e）t=2.148 μs 的爆炸过程基本结束 图 普通药包爆炸过程中 切缝药包爆炸过程应力分布云图 时 在 3 ， ， ， 0.448 μs 炸 药 内 爆炸冲击压缩炮孔内的空气 ； 炮孔壁各方向 炮孔 时 爆炸冲击波到达炮孔壁 ， 随后在巨大的爆炸气体冲击作用下 1.049 μs 受力相同 壁各方向产生相同的变形破坏 ， ； ， 。 ， ， 时炸药内爆炸结束 0.448 μs 管压缩炮孔内的空气 ； 切缝处产生应力集中 ， 在 爆 生 气 体 的 推 动 下 切缝药包炸药内的爆破过程与普通药包相同 ， 爆炸应力波透过切缝 爆生产物在切缝处向外挤压 同时 形成尖端状应力分布 ， 在 随之爆 非切缝处爆炸应力波 ； 此时非切缝处应力大小 减小了非切缝处裂纹产生扩展的可 切缝管在爆生气体的推动作 1.048 μs 炸壁产生尖端破坏形成裂纹 在 明显小于切缝处 能性 2.148 μs 用下与破孔壁接触 切缝处爆炸冲击波达到炮孔壁 ， 产生侵蚀破坏 切 缝 管 向 外 扩 张 移 动 时到达炮孔壁 1.849 μs 时 在 时 ； ， ， ， ， ， ； ； 通过上述分析可知 普通药包和切缝药包炸药 ， ： 。 内的爆炸过程及爆破冲击波到达炮孔壁时间一致 爆生产物在切缝处聚集释放 动下向外移动 岩石在爆生产物的作用下产生初始裂纹 于非切缝方向 。 切缝管在爆生产物的推 切缝方向爆炸应力波到达炮孔壁后 ， 应力明显大 切缝药包定向断裂效果明显 ， ， ， 。 在普通药包炮孔壁上距离炸药中心 5 mm 处选 在切缝药包切缝方向及垂直切缝 处选取空气特征 5 mm 个特征单元压力时程 A， 取空气特征单元 方向炮孔壁上距离炸药中心 单元 曲线 B、C， 如图 分别提取 所示 A、B、C 3 ， 4 。 2、 3.2 ， 炮孔壁压力值分析 模型采用单炮孔形式 2.1 有限元模型建立 普通药包数值模型由炸药 切缝药包数值模型由炸药 ； 。 =250 mm×250 mm； 成 部分组成 宽 孔径 切缝管内壁紧贴炸药 型平面结构如图 问题进行分析 准10 mm， 1 ， ， 所示 。 炸药直径 、 岩体 、 、 切缝管 空气 3 岩体 部分组 空气 岩体模型尺寸长 × 炮孔 4 、 、 。 炮孔建立在模型正中心 不耦合系 数 ， 厚度 准6 mm， 1.67； 模 试验中可将其处理为平面 缝宽为 1 mm， 1mm， 因此取模型厚度为 岩石 炸药 空气 普通药包 切缝管 空气 切缝药包 （b） 模型平面结构图 SOLID164 切缝管 ， 岩石采用 、 单元 炸药 。 Lagrange 空气采用 、 网格建模 ， （a） 图 建模中均采用 网格建模 1 ALE 模型中采用 定义网格之间的耦合 CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOL- 模型中均采用六面体划分 。 ， 计算中采用 接触类型 ， CONTACT_SURFACE_TO_SUR- 由于试验模型较 实现能量传递 模型边界施加透射条 。 为模拟实际无限岩体情况 边界设置为无反射边界 ， 。 材料参数选择 炸 药 采 用 ID 网格 FACE 小 件 ， ， 2.2 。 JWL 岩石采用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN， 用 系 参数和失效强度参数 挤压至炮孔壁并发生破坏 为 方 便 计 算 使 状态方程模拟爆炸过程中压力和比容的关 本构模型 定义岩石的损伤 切缝管在炸药爆炸过程中被 动态力学行为较为复杂 。 采 用 模型各材料主要 切 缝 管 简 化 为 弹 塑 性 材 料 MAT_RHT 模型 ， ， 。 ， ， MAT_PLASTIC_KINEMATIC 物理力学参数如表 。 1 所示 材料物理力学参数 。 表 1 爆速 压力 C-J /m·s-1 6 930 /GPa 27 材料 炸药 岩石 切缝管 密度 /kg·m-3 1 640 2 600 1 300 弹性模 量 /GPa 泊松比 屈服强 度 /MPa 55 3.6 0.27 0.38 110 30 数值模拟结果分析 3 3.1 图 3 爆炸过程时程分析 炸药起爆到传播至炮孔壁压力分布云图如图 所示 。 （a）t=0.299 μs （b）t=0.448 μs （c）t=1.049 μs 图 2 普通药包爆炸过程应力分布云图 63 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 37 2018 卷第 年 10 10 期 月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.37No.10 Oct. 2018 doi:10.13301/j.cnki.ct.2018.10.024 近距离煤层采空区下回采工作面合理长度的研究 摘 要 ： 煤层的压力显现 、 5# 煤层为研究对象 ， 内蒙古科技大学 能源与环境学院 内蒙古 包头 ， 014010） （ 近距离煤层煤柱由于煤层相距较近 在开采时底层煤层由于受上层煤柱的影响 下层 以新疆昌平矿业一〇四矿 ， 支护与围岩的控制以及巷道的布置特点都有特殊性 进行数值模拟确定下层煤的合理工作面长度 。 。 孙 婷 李 科 ， ， 关键词 中图分类号 ： 近距离煤层 ： TD322 ；FLAC3D； 长壁普采 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1008 － 8725（2018）10 － 0064 － 03 Study on Reasonable Length of Working Face under Close Coal Goaf SUN Ting， LI Ke (Insitute of Energy and Environment， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010, China) Abstract: Because of the close distance between the coal seam and the coal pillar in the close distance coal seam, the pressure of the lower coal seam appears, the support and the control of the surrounding rock and the layout characteristics of the roadway are special because of the influence of the upper coal pillar in the bottom coal seam during mining. Taking No.5 coal seam in No.104 mine of Xinjiang Changping mine as the research object, the reasonable working face length of the lower coal seam is determined by numerical simulation of No.5 coal seam. Key words: close range coal seam； FLAC3D； long wall mining 1.5 2.0 a P G 据可以充分表明切缝药包的聚能效果明显 切缝管 非切缝方向有效地约束了爆生产物的释放和作用强 度 能量 在切缝方向积聚 切 缝药包定向断裂效果明显且非切缝方向岩石得到了 有效的保护 ， 加强了对切缝方向岩石的作用 切缝方向对爆生产物释放起到了导向作用 力 压 ， ， ， 。 1.0 0.5 10 2 8 0 / 时间 4 6 /μs 普通药包 。 。 结语 4 （1） 普通药包和切缝药包炸药内的爆炸过程及 在爆炸初期两者 爆破冲击波到达炮孔壁时间一致 的差异不大 ， ， （2） 缝处聚集释放 动 缝方向 切缝药包炸药内爆炸完成后 爆生产物在切 切缝管在爆生产物的推动下向外移 应力明显大于非切 切缝方向岩石产生初始裂纹 切缝药包具有聚能效果 ， 切缝药包切缝方向炮孔壁空气最先达到应力 （3） ， ， ， 。 切缝药包定向断裂效果明显 峰值且应力峰值最大 参考文献 ： 杨 仁 树 高 祥 涛 陈 程 ， ［1］ ， 切 缝 药 包 爆 炸 波 传 播 机 制 实 验 研 究 等 . ， ，2014，39（8）:1 434-1 440. 高祥涛 等 定向断裂控制 爆 破 机 理 及 应 用 ， . ，2016，1（1）:16-28. 王海亮 等 ， . 煤矿井下精细爆破技术研究 煤炭 ［J］. 。 ［J］. ，2015，34（5）:78-80. 切缝药包定向断裂爆破机理与应用研究 ［D］. 北京 中国 ： ），2010. 杨 国 梁 ， 等 . ， 煤 岩 定 向 断 裂 控 制 爆 破 数 值 模 拟 ，2009，40（7）:14-16，19. 复 合 型 切 缝 药 包 成 缝 机 理 及 数 值 模 拟 ，2012，26（2）:205-210. 等 不同地应力条件下切缝药包爆破的数 ，2016，36（02）:161-169. 山 东 滕 州 人 硕 士 研 究 生 （1992- ）， ， 研 究 方 ， ：chenshuaizhi1207@163.com. 责任编辑 张 欣 收稿日期 ：2017－11－29 ［J］. 谢华刚 实验 魏晨慧 值模拟 ， ， ［J］. ［J］. 作 者 简 介 工程爆破 ， ， 阮怀宁 吴玲 丽 高压物理学报 朱万成 白羽 . ， ， 爆炸与冲击 陈 帅 志 ： 电子信箱 . ： ， ， 王雁冰 煤炭学报 ， ， ［J］. 宋俊生 矿业科学学报 张军 张鲁南 技术 姜琳琳 矿业大学 杨 仁 树 . ， 北京 （ 姜 琳 琳 ， 煤矿安全 （a） a P G / 力 压 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 ● ● ▲ ▲ 2 ● ▲ 4 单 元 单 元 ● ▲ B A ▲ ● 6 ▲ 8 ● 10 时间 /μs 切缝药包 （b） 炮孔壁特征单元压力时程图 图 4 中 图 4（b） B、C 曲线分别代表切缝方向和垂直 空气 切缝方向炮孔壁空气特征单元压力时程曲线 特征单元压力峰值及对应时刻如表 所示 空气特征单元压力峰值时刻表 2 。 。 表 2 压力峰值时刻 压力峰值 /μs /GPa 普通药包 1.699 1.951 切缝药包 切缝方向 垂直切缝方向 1.547 2.297 2.797 1.508 ， ， 。 从表 0.152 μs， 切缝药包切缝方向最先达 中可以看出 最后是切缝药包垂直 随后是普通药包 ， 切缝方向达到应力峰值时间比普通药包 切缝药包切 比垂直切缝方向快 切缝方向岩石形成初始 有利于初始裂纹在后续爆生气体的作用下充 在切缝药包切缝方向 2 到应力峰值 切缝方向 快 缝方向最先达到应力峰值 裂纹 ， 分发展 压力峰值最大 ， 压力峰值增大了 压力峰值大 0.346 GPa， 比切缝药包垂直切缝方向 数 比普通药包压力峰值大 实现定向断裂的目的 压力峰值增大了 1.25 μs。 17.7%； ， 。 ， 0.789 GPa， 52.3%。 ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ 向 ： 64 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net