孔內爆炸填塞效應的數值模擬與分析

張宇鵬，謝興博，鐘明壽，陳一曦，田志剛

（1.陸軍工程大學 野戰工程學院，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍66109 部隊，河北 秦皇島 066000）

炮孔填塞是爆破施工過程中的一個關鍵環節[1-3]，其主要作用是保證炮孔內炸藥充分反應，延長爆生氣體作用時間，降低體積巖石炸藥的消耗量。爆生氣體泄出必須克服填塞物的慣性阻力以及炮孔巖壁之間的黏結力和摩擦阻力。周志強等[4]對填塞物的作用機理和發展進行研究，論證了填塞物在工程爆破中的重要作用；郭云龍等[5]通過數值模擬分析了無填塞、填塞聚氨酯和填塞炮泥3種工況下填塞材料對巖石爆破效果的影響規律研究表明，填塞聚氨酯時巖石受到的壓力峰值是無填塞的1.9倍，壓力波峰與波谷的間隔時間是無填塞時的3 倍，填塞炮泥時巖石受到的壓力峰值是無填塞的1.67 倍，壓力波峰與波谷的間隔時間是無填塞的1.5 倍；康永全等[6]研制了以聚氨酯為基材的TK 炮孔填塞劑，降低了炸藥單耗，提高單循環進尺和炮孔利用率。

當填塞物長度不足時，爆生氣體克服填塞物的慣性阻力以及炮孔巖壁之間的黏結力和摩擦阻力從孔口泄出，出現“沖炮”現象。利用小量裝藥爆炸時產生的壓力替代炮泥填塞，填塞裝藥爆炸時產生的爆轟壓力對主裝藥的頂面產生壓制作用，這種壓制作用可以通過填塞裝藥的裝藥長度及與主裝藥凈間距（小藥包下表面和主裝藥上表面之間的距離）調整主裝藥頂面受到的壓力不小于周圍巖石抗壓強度，作用持續時間不少于巖石破碎時間，這樣主裝藥相當于在密閉的巖石中起爆，具有良好的爆破效果。

1 數值模擬

1.1 數值工況建立

采用炮孔直徑90 mm 和裝藥直徑70 mm 的2 號巖石乳化炸藥建立工況進行研究，工況參數為：小裝藥長度為8 cm、裝藥凈間距10 cm、主裝藥長度40 cm，并建立同種工況的炮泥填塞作為參考組，對比填塞效果。

工況采用1/4 模型，分別為直徑30 cm、高度110 cm的巖石圓柱體和直徑30 cm、高度120 cm 的空氣圓柱體如圖1 所示。采用流固耦合算法*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，空氣介質涵蓋整個巖石結構，空氣結構充分與巖石結構接觸，產生力學響應。在*INITIAL_DETONATION 中設置炸藥材料在0 時刻起爆，起爆中心位于炸藥中心點。在巖石結構的無限延伸面上，添加無反射邊界條件。炮泥填塞工況采用最大填塞長度以保證填塞質量可靠。

圖1 裝藥填塞爆破工況

1.2 結構的有限元截面屬性和材料設置

按照ALE 算法的設置，將巖石材料設置為普通拉格朗日網格；炸藥和空氣單元建立共節點，采用多材料ALE單元（*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP）設置，采用cm-g-us 單位制。

巖石材料采用適合表征高應變率作用下的巖石混凝土等結構的HJC 本構模型，材料參數設置見表1 中所示。

表1 巖石材料的HJC 工況參數設置表

采用一般礦石的抗壓強度，為巖石材料添加失效準則，即達到抗壓強度114 MPa、抗拉強度9 MPa 時，巖石單元破壞，不再提供承載能力，刪除單元。

2 號巖石乳化炸藥的材料工況采用LS-dyna 材料庫中提供的炸藥工況*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態方程采用適合表征炸藥材料的*EOS_JWL，炸藥材料參數如表2 所示。

表2 炸藥材料和狀態方程參數

空氣材料采用空材料模型*MAT_NULL，狀態方程采用適合表征空氣的*EOS_JWL，空氣密度為1.29 kg/m3。

2 模擬結果與討論

2.1 爆炸填塞作用過程及效果

以裝藥填塞爆炸時流體云圖演化過程為例，觀察填塞裝藥爆炸時對主裝藥的填塞效果。從圖2 可知，填塞裝藥和主裝藥同時起爆后，爆炸產生的爆轟產物沿著炮孔軸向擴散。50 μs 時，填塞裝藥爆轟產物首先到達主裝藥頂面，對主裝藥形成壓力壓制作用，此時主裝藥的爆轟產物和爆轟波還沒有傳到主裝藥頂面；60 μs 時，主裝藥和填塞裝藥的爆轟產物接觸在主裝藥頂面形成壓力分界面，且在壓力的作用下，主裝藥的爆轟產物停止向上傳播轉而向外傳播至主裝藥周圍，破碎巖石；90 μs 時，填塞裝藥爆轟能力減弱，堵塞主裝藥爆轟氣體的壓力逐步下降，爆轟產物分界面逐漸上移，直到填塞裝藥爆轟結束。觀察爆轟氣體分界面處和炮孔底部的流體形態，其流動范圍基本一致，表明兩處受力狀態相似，主裝藥形似置于封閉圍巖中，這個過程與物理填塞基本相同，此時主裝藥爆轟產物的能量大部分用于破碎巖石，只有少部分外泄出炮孔。

圖2 裝藥填塞流體演化圖

當炮孔中沒有填塞或填塞質量不好時，炸藥爆炸后，高壓氣體將迅速沖出炮孔，使爆生氣體壓力迅速衰減到臨界壓力以下，分別取炮泥填塞和裝藥填塞中主裝藥中間位置對應孔壁間隙的空氣單元壓力時程曲線，如圖3所示。從圖3 中可以看出，兩者高壓氣體時程曲線基本一致，持續時間都為800 μs，裝藥填塞壓力峰值0.35 GPa 要高于炮泥填塞的0.3 GPa，炮泥填塞在200 μs 后，壓力衰減到0.15 GPa 以下，裝藥填塞320 μs 以后才衰減到0.15 GPa 以下，具有更長的峰值壓力持續時間。從壓力峰值持續時間來看，裝藥爆炸填塞效果優于炮泥填塞。

圖3 炮孔中空氣壓力時程曲線

工程爆破中通常以巖石損傷情況來評估爆破效果。統計得到研究區域的體積變化情況，體積減少量就是因失效而刪除的單元總體積，即巖石破壞情況。根據爆炸前后巖石體積的變化判斷巖石的破碎效果，炮泥填塞工況破碎巖石體積為10 580 cm3，裝藥填塞工況破碎巖石體積為11 842 cm3，裝藥填塞的巖石破碎效果優于炮泥填塞[7]。

2.2 填塞裝藥參數對爆炸效果的影響

從改變填塞裝藥的裝藥長度和與主裝藥凈間距的角度出發，保持裝藥埋深、主裝藥布局位置和徑向裝藥結構等爆破參數不變，研究裝藥填塞參數對主裝藥爆破效果的影響。選取填塞裝藥長度分別為5、8、10 cm，裝藥凈間距分別為5、10、15 cm，共設置9 組爆炸填塞工況進行數值模擬見表3。

表3 裝藥方式表

爆炸填塞的作用會因為參數的不同而有所變化，為研究裝藥填塞的最優參數，選取主裝藥長度范圍內對應巖石破碎體積作為參照，對1-9 組工況的爆破情況進行定量分析。

9 組工況巖石破壞最終狀況如圖4 所示。1、4、7 工況中破壞輪廓為近似為圓柱形，其余工況中主裝藥對應的破壞輪廓呈葫蘆形，中間略有“收腰”趨勢，且這種趨勢裝藥凈間距越大越明顯。

圖4 9 組工況巖石最終破碎狀況

對9 組工況巖石破碎體積進行統計如表4 所示，4號工況巖石破壞體積較大為9 089 cm3，3 號工況巖石破碎體積最小為8 183 cm3，可知不同裝藥凈間距和裝藥填塞長度對巖石的破壞體積影響較大。

2.2.1 裝藥凈間距

根據表4 將相同裝藥填塞長度、不同的裝藥凈間距的破碎體積作柱狀圖，如圖5 所示。

圖5 不同裝藥凈間距巖石破碎體積

表4 巖石破碎體積表 cm3

從圖5 可明顯看出，隨著裝藥凈間距的增加，3 種裝藥填塞長度巖石破碎體積都會出現明顯下降。當裝藥量相同的條件下，裝藥填塞的爆轟波到達主裝藥頂面時的壓力主要由爆轟波在傳播過程中的衰減決定，裝藥凈間距即為爆轟波的衰減距離，裝藥凈間距越大，爆轟波壓力衰減就越大。以裝藥填塞長度8 cm（4-6 號）為例，取爆轟波到達主裝藥頂面時的壓力如表5 所示，驗證了以上結論。

表5 爆轟波至主裝藥頂面時壓力

2.2.2 填塞裝藥量

根據表4 將相同裝藥凈間距、不同裝藥長度的巖石破碎體積作柱狀圖如圖6 所示。

圖6 不同裝藥填塞長度巖石破碎體積

從圖6 可看出，當裝藥填塞長度小于8 cm 時，巖石破碎體積隨著裝藥長度的增加而增加；當裝藥填塞長度大于8 cm 時，巖石破碎體積略有下降。8 cm 裝藥填塞長度破碎巖石體積在5、10、15 cm3 種工況條件下都是最大的。8 cm 為裝藥填塞最佳長度，超過8 cm 裝藥填塞效果不會出現增強。爆轟壓力到達頂面時，8 cm裝藥填塞長度形成的爆轟壓力足以對主裝藥形成壓制作用，將炸藥的爆轟能量鎖在主裝藥周圍，造成圍巖的損傷。

巖石中應力值的大小和作用時間的長短決定了巖石的破碎程度和破碎范圍。取裝藥間距為5 cm 時，主裝藥頂部對應25 cm 處的巖石單元受到等效應力情況如圖7 所示。在200 μs 到350 μs 時，巖石工況單元受到了80～110 MPa 的等效應力，且持續時間較長。為研究裝藥長度與等效應力持續時間的關系，補充了裝藥凈間距為5 cm，裝藥長度分別為6、7 cm 情況下的工況。10 cm 填塞長度出現了最高峰值應力118 MPa，但峰值應力很快衰減到90 MPa 以下，在80 MPa 應力上持續時間較長。

圖7 巖石單元等效應力時間曲線

應力對巖石作用時間反映了對巖石的爆破能力。在80 MPa壓力以上持續作用時間如表6所示。8 cm和10 cm 裝藥填塞長度工況持續作用時間最長達到了140 μs，5 cm 裝藥填塞長度持續作用時間最短，只有96 μs，隨著裝藥填塞長度的增長應力持續時間增加，當裝藥長度大于8 cm 應力持續時間沒有明顯增加。雖然裝藥填塞8 cm 和10 cm 持續時間基本相同，但在90 MPa 應力上10 cm 填塞出現了明顯衰減是導致其破碎體積小于8 cm 填塞的原因。

表6 峰值應力持續時間

3 爆炸填塞工程應用思考

裝藥爆炸填塞與工程爆破領域內的分段裝藥結構類似，但上下裝藥量分配和應用范圍上差別較大：分段裝藥的上部裝藥是利用炸藥的爆炸效果降低圍巖大塊率，裝藥量與下部裝藥基本相同或接近；裝藥填塞是利用上部小裝藥爆炸時的爆轟壓對主裝藥進行填塞解決實際填塞長度不足的情況，裝藥量遠小于主裝藥。

《爆破安全規程》規定，深孔和淺孔爆破裝藥后都應進行填塞，禁止使用無填塞爆破。裝藥爆炸填塞基于炮孔填塞長度不足的特殊情況提出的解決方法，利用裝藥爆炸時爆轟產物產生的爆轟壓對主裝藥進行填塞，減少主裝藥的飛石和次生危害。同時小裝藥距孔口尚有一定的距離，填塞裝藥本身不會產生飛石。為了減少小藥量爆炸時的次生危害，可以進行少量炮泥填塞，對工況填塞后的爆炸效果如圖8 所示，由圖8 可以看出，采用20 cm 的炮泥填塞就可以達到完全堵塞填塞裝藥爆轟產物泄漏，通過Pre-post 的speciesmassmat 工具查看填塞裝藥和主裝藥爆轟產物分布，發現爆轟產物完全作用在巖石內部。

圖8 組合工況流體分布圖

目前小裝藥爆炸填塞主要考慮采用同時起爆的方式，以減少采用導爆管雷管延期造成的主裝藥先爆將填塞裝藥沖出的情況，主裝藥和填塞裝藥的殉爆不會對填塞效果造成較大影響，后期將結合爆破試驗，研究采用延期起爆的填塞效果相關問題[8]。

4 結論

基于數值模擬，對比9 組實驗工況進行巖石損傷情況和等效應力比較，得出如下結論。

（1）當采用填塞裝藥作為填塞材料時，能夠達到預定的填塞效果，且在一定程度上具有良好的擴孔、破裂和振動巖層效果，造成的地面爆破振動要小于炮泥填塞工況。

（2）相同裝藥長度的填塞裝藥作填塞材料時，裝藥凈間距越小，爆炸填塞效果越好，對5、10、15 cm 的裝藥凈間距比較，5 cm 的裝藥凈間距爆炸填塞效果好于10、15 cm。相同裝藥凈間距的條件下，裝藥填塞長度8 cm 的裝藥結構應力持續時間最長，爆炸填塞效果最優。

（3）裝藥填塞的長度決定了初始填塞壓力的大小，裝藥凈間距與填塞壓力的衰減關系很大，兩者的大小決定了作用在主裝藥上填塞壓力的大小。當主裝藥藥量變化時，必須考慮填塞壓力的大小，調整裝藥填塞長度和裝藥凈間距，才能保證填塞效果。

小裝藥爆炸填塞主要基于以上9 組工況進行分析，對于其他主裝藥的具體填塞參數有待進一步研究，但對于淺層大孔徑開挖以及填塞比較困難的拆除爆破中提高接觸爆破中主裝藥的利用率都具有較好的應用前景。