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【摘 要】深孔爆破成井过程是复杂的物理、化学作用过程，深入分析这一作用过程原理可以为实践提供理论依据。本文利用ANSYS/LS-DYNA程序对柱状装药爆破情况下的矿岩内部作用的物理过程进行了数值模拟，进而得到爆破应力波的传播情况、衰减规律以及各区域岩石破碎成因。
【关键词】深孔爆破；应力波；数值模拟
1.引言
深孔爆破成井过程是复杂的物理、化学作用过程，既有装药爆炸瞬间产生的高温、高压、高速及高能量的作用，又有矿岩材料的非线性和非连续性的物理特性，而且又存在研究手段、仪器精度、施工工艺等人为因素。为了能够更加深入的研究爆破过程机理，必须利用先进的科学技术结合实际情况来分析深孔爆破的物理过程。近些年，随着计算机性能的快速提高及高应变率材料模型的进一步完善，数值模拟技术在爆炸领域得到了广泛应用。
2.深孔爆破材料本构模型
本文采用ANSYS/LS-DYNA软件对炸药在岩石内爆炸问题进行分析。ANSYS/LS-DYNA软件对炸药爆炸类流-固耦合问题一般有两种算法：一是拉格朗日算法；另一种是欧拉算法。拉格朗日算法对大变形问题计算，容易出现网格畸变现象，导致计算无法进行，特别对网格划分不均匀的情况，尤为明显。欧拉算法可以处理多相物质耦合问题，且有效解决了网格畸变问题。因此，本文采用欧拉算法对炸药在岩石内爆炸问题进行计算。
（1）岩石材料本构模型
根据张守中研究，在爆炸、冲击动力学问题，材料本构模型的选取不应该只考虑材料在自然界的存在形式，还应考虑材料的载荷作用情况。因此，本文采用LS-DYNA软件内嵌的考虑应变率的弹塑性模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）描述岩石材料。该材料模型的随动硬化Von.Mises屈服条件为：
（1）
式中：屈服极限；应力偏量；移动张量。
（2）炸药材料本构模型
炸药材料模型选用软件内嵌的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，状态方程选用JWL状态方程。
（3）空气材料本构模型
空气材料本构模型采用MAT-NULL，在模拟过程中空气与炸药径向耦合。
材料具体参数：
表1 岩石材料参数
g/cm3 E
Gpa 抗拉强度
Mpa 抗压强度
Mpa
3.5 56.06 0.28 130.21 6.5
表2 炸药材料参数
（g/cm3） 爆速
（m/s） 殉爆距离
（cm） 猛度
（mm）
0.85 4000 10 17
表3 炸药材料状态方程参数
A/Gpa B/Gpa R1 R2 W
169.0 3.67 5.69 1.19 0.33
表4 空气材料参数
kg/m3 C0-C3 C4-C5 C6 E
1.18 1.75e-5 0 0.4 0 2.5e-4
文中炸药、空气与岩石采用共节点的欧拉算法，由于炸药尺寸相对整体模型较小，且截面形状在轴向不变，因此问题可以简化为平面应变问题，使用单层实体网格计算。模型四周边界施加边界无反射条件，截面施加厚度方向约束。模型具体参数：岩石尺寸为7500mm×7500mm，中心大空孔直径为130mm，小空孔直径为90mm，四周炮孔直径均为90mm，根据补偿空间理论计算得中间炮孔与空孔距离为500mm，周围炮孔间距离1500mm。
模型网格采用映射网格划分，对爆炸区域周围网格进行适当加密，为了减少计算时间，岩石部分远离炸药中心区域增大网格疏密度，划分网格总数为59870个。炸药周围网格划分情况如图1所示。
图1 网格划分
3.数值模拟结果分析
经研究炸药起爆后，应力波在岩石内部传播历程可以看出当粉碎区形成以后，冲击波衰减成为应力波，并向炮孔周围传播，迫使矿岩质点产生一种随应力波传播方向运动的趋势或位移，伴生出切向方向的拉伸应力。切向拉伸应力具有环箍应力的性质，由于矿岩的抗拉强度远小于抗压强度，当切向拉伸应力大于矿岩的抗拉强度时，则矿岩被拉断，形成与粉碎区连通的裂隙区。与此同时爆生气体作用于矿岩，并以很高的速度冲入裂隙，产生二次损伤断裂过程，使裂纹发生扩展和延伸。二者共同作用形成裂隙区，裂隙区为爆破全过程中最主要的破裂区。
4.结束语
本文通过ANSYS/LS-DYNA软件对深孔爆破过程进行了分析。通过数值分析方法可以清楚的将炸药在岩石内部起爆现象呈现出来，明确了不同区域岩石破碎的成因以及装药量、药孔布置对爆破效果的影响，进而为工程实践提供信息。由于数值模拟技术很大程度依赖于物理、计算、材料模型的准确度，因此，针对实际问题要充分考虑各因素的对计算结果的影响。
参考文献
[1] 古德生，李夕兵等著.现代金属矿床开采科学技术[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 吴亮.岩石中柱状装药爆炸能量分布[J].岩土力学，2006，（5）：735一739.
【关键词】深孔爆破；应力波；数值模拟
1.引言
深孔爆破成井过程是复杂的物理、化学作用过程，既有装药爆炸瞬间产生的高温、高压、高速及高能量的作用，又有矿岩材料的非线性和非连续性的物理特性，而且又存在研究手段、仪器精度、施工工艺等人为因素。为了能够更加深入的研究爆破过程机理，必须利用先进的科学技术结合实际情况来分析深孔爆破的物理过程。近些年，随着计算机性能的快速提高及高应变率材料模型的进一步完善，数值模拟技术在爆炸领域得到了广泛应用。
2.深孔爆破材料本构模型
本文采用ANSYS/LS-DYNA软件对炸药在岩石内爆炸问题进行分析。ANSYS/LS-DYNA软件对炸药爆炸类流-固耦合问题一般有两种算法：一是拉格朗日算法；另一种是欧拉算法。拉格朗日算法对大变形问题计算，容易出现网格畸变现象，导致计算无法进行，特别对网格划分不均匀的情况，尤为明显。欧拉算法可以处理多相物质耦合问题，且有效解决了网格畸变问题。因此，本文采用欧拉算法对炸药在岩石内爆炸问题进行计算。
（1）岩石材料本构模型
根据张守中研究，在爆炸、冲击动力学问题，材料本构模型的选取不应该只考虑材料在自然界的存在形式，还应考虑材料的载荷作用情况。因此，本文采用LS-DYNA软件内嵌的考虑应变率的弹塑性模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）描述岩石材料。该材料模型的随动硬化Von.Mises屈服条件为：
（1）
式中：屈服极限；应力偏量；移动张量。
（2）炸药材料本构模型
炸药材料模型选用软件内嵌的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，状态方程选用JWL状态方程。
（3）空气材料本构模型
空气材料本构模型采用MAT-NULL，在模拟过程中空气与炸药径向耦合。
材料具体参数：
表1 岩石材料参数
g/cm3 E
Gpa 抗拉强度
Mpa 抗压强度
Mpa
3.5 56.06 0.28 130.21 6.5
表2 炸药材料参数
（g/cm3） 爆速
（m/s） 殉爆距离
（cm） 猛度
（mm）
0.85 4000 10 17
表3 炸药材料状态方程参数
A/Gpa B/Gpa R1 R2 W
169.0 3.67 5.69 1.19 0.33
表4 空气材料参数
kg/m3 C0-C3 C4-C5 C6 E
1.18 1.75e-5 0 0.4 0 2.5e-4
文中炸药、空气与岩石采用共节点的欧拉算法，由于炸药尺寸相对整体模型较小，且截面形状在轴向不变，因此问题可以简化为平面应变问题，使用单层实体网格计算。模型四周边界施加边界无反射条件，截面施加厚度方向约束。模型具体参数：岩石尺寸为7500mm×7500mm，中心大空孔直径为130mm，小空孔直径为90mm，四周炮孔直径均为90mm，根据补偿空间理论计算得中间炮孔与空孔距离为500mm，周围炮孔间距离1500mm。
模型网格采用映射网格划分，对爆炸区域周围网格进行适当加密，为了减少计算时间，岩石部分远离炸药中心区域增大网格疏密度，划分网格总数为59870个。炸药周围网格划分情况如图1所示。
图1 网格划分
3.数值模拟结果分析
经研究炸药起爆后，应力波在岩石内部传播历程可以看出当粉碎区形成以后，冲击波衰减成为应力波，并向炮孔周围传播，迫使矿岩质点产生一种随应力波传播方向运动的趋势或位移，伴生出切向方向的拉伸应力。切向拉伸应力具有环箍应力的性质，由于矿岩的抗拉强度远小于抗压强度，当切向拉伸应力大于矿岩的抗拉强度时，则矿岩被拉断，形成与粉碎区连通的裂隙区。与此同时爆生气体作用于矿岩，并以很高的速度冲入裂隙，产生二次损伤断裂过程，使裂纹发生扩展和延伸。二者共同作用形成裂隙区，裂隙区为爆破全过程中最主要的破裂区。
4.结束语
本文通过ANSYS/LS-DYNA软件对深孔爆破过程进行了分析。通过数值分析方法可以清楚的将炸药在岩石内部起爆现象呈现出来，明确了不同区域岩石破碎的成因以及装药量、药孔布置对爆破效果的影响，进而为工程实践提供信息。由于数值模拟技术很大程度依赖于物理、计算、材料模型的准确度，因此，针对实际问题要充分考虑各因素的对计算结果的影响。
参考文献
[1] 古德生，李夕兵等著.现代金属矿床开采科学技术[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 吴亮.岩石中柱状装药爆炸能量分布[J].岩土力学，2006，（5）：735一739.