基于ANSYS/LS-DYNA的互层煤岩爆破数值模拟

2017-10-23张华栋

采矿技术 2017年5期

关键词：煤岩炸药台阶

冯辉，张华栋

(葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆乌鲁木齐 830000)

基于ANSYS/LS-DYNA的互层煤岩爆破数值模拟

冯辉，张华栋

(葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司, 新疆乌鲁木齐 830000)

为了分析互层煤岩爆破过程，利用有限元动力软件ANSYS/LS-DYNA，建立了含有7个分层的露天煤矿台阶爆破模型。模拟分析了互层岩体爆破过程压力波的传播衰减规律，数值计算结果表明：爆轰压力波的传播受互层交界面影响明显，爆轰压力波衰减快，局部范围易形成高爆压区域。在不同的煤岩层中，其有效应力分层现象明显，裂隙区成不连续分布。

台阶爆破；互层煤岩；数值模拟

0 引言

新疆圣雄能源股份有限公司黑山煤矿位于新疆吐鲁番地区，作为我国重要的能源基地，煤炭储量丰富，区内露天煤矿多采用爆破方式进行生产。其主采煤层位于泥岩层及砂岩层之间，具有典型的互层结构特征。互层煤岩体具有软硬相间的力学特性，其存在多个结构面。在爆炸过程中，结构面的存在会引起应力波的多次透反射，导致应力波在不同煤岩体上的传播的不稳定，并进一步造成爆破能量的分布不均[1-2]。爆破后通常容易出现大块、根底、侧拉、后拉、飞石危害及爆堆不规整等问题，使得挖运效率降低、安全风险增大、生产进度滞后、工艺成本增加，严重影响矿山正常的生产运营。

为了分析研究互层煤岩体的爆破问题，本文选择具有代表性的某一露天台阶为工程背景，以实际施工中的孔网参数以及煤岩岩石力学参数为基础，并运用ANSYS/LS-DYNA作为数值模拟的工具，分析全孔装药爆破及分段装药爆破下互层煤岩体应力传播规律，及可能的煤岩体破坏特征。

1 数值计算模型

1.1 模型尺寸及网格划分

数值模拟对象为矿区某含不同煤岩层的台阶，台阶内共含有七个分层，由于实际中的孔网参数与煤岩体范围较大，为了减少数值计算量，本文中建立的模型为准二维计算模型，模型单元选择为Solid164单元，模型中的岩体与现场工程相对应。实际台阶高度为10 m，台阶边坡角度为60°。该露天矿装药方式通常为连续装药，其爆破参数如表1所示。数值模型中的下边界和右边界设置，以及台阶坡脚最左端边界均设置为无反射边界条件，其他边界均为自由边界，且模型不考虑重力对数值计算的影响。数值模拟采用ALE算法(任意的lagange算法)，炸药与岩体之间的作用采用流固耦合处理，炸药采用EULER网格。数值计算模型见图1。

图1 数值计算模型

1.2 材料参数

本文中的数值模拟主要涉及到煤岩、砂岩、泥岩、表土及炸药5种材料，其中炸药作为煤岩爆破过程中的能量供应，主要通过膨胀做功以及应力波对岩体作用。其材料选用模型“MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN”,并采用JWL状态方程来描述炸药爆炸后其关系[3]，其表达式为：

(1)

式中，p、V为爆炸产物的压力与体积；A、B、R1、R2、ω、E为炸药状态方程参数。各炸药参数见表2。

表2 炸药参数

(2)

(3)

表3 黑山露天矿边坡岩土物理力学性质指标

1.3 材料的破坏准则

岩体爆破时，由于强大的冲击作用及大量的爆生气体，爆破区域附近会依次产生粉碎区、裂隙区。利用Von-Mises准则能很好的反映岩体爆破工程的破坏情况[7-8]。本文数值模拟中的岩体破坏准则选择为Von-Mises准则，其具体判据如下：

(4)

式中，σ0为岩体中Von-Mises有效应力；σcd、σtd为岩体的动抗压强度和动抗拉强度。当σ0>σcd时，周围岩体受压破坏，形成压碎区；当σ0>σtd时，岩体在拉应力作用下破坏，形成裂隙区。

2 互层煤岩体模拟结果与分析

对于岩体来说，波阻抗是表征岩体应力波传播特性的一个重要参数，它定义为岩体的密度和纵波波速的乘积。通常，不同的岩性波阻抗不同。对于互层岩体，由于存在多组结构面，应力波在传播过程中必然会在岩层中发生多次折返射，加速岩层的损伤变形。图2为爆炸过程中不同时刻的压力云图。

图2爆破过程数值模拟

由图2可知，爆破开始时，炮轰压力波开始在砂岩中传播，致使周围岩体应力迅速增大；在954 μs时，应力波经过泥岩层时发生了反射，砂岩中部分岩体处于拉伸应力状态；在此时间段内，煤层段发生爆破，炮孔周围的煤层既有横向传递的压缩波也有斜向透射过来的应力，随着炮孔继续往上爆破，爆破压力波逐渐向四周扩展，形成一连续的三角爆轰压力波。随着互层交界面处应力波的透反射，较炮孔较远的部分煤岩体开始受发射拉伸波的作用，应力波发生衰减，并在部分区域处于拉伸应力状态；又加之各层爆轰波传播速度的不同，三角形的炮轰波逐渐转变为台阶状的炮轰波，并最终呈现出局部高压力的非连续状态，如t=2040 μs及t=3060 μs图像。

图3为炮轰过程中某一时刻Von-Mises有效应力分布状况，由于岩性的不同，其有效应力呈现出明显分层现象。不同于完整煤层或岩层爆破时炮孔周边依次分布着弹性区、裂隙区、压碎区的现象，互层岩体由于炮轰波传播过程中局部应力集中，炮轰能量回弹的现象，远离炮孔的部分区域周围必然存在裂隙区不连续的现象，致使岩体发生分区破坏。