切缝药包爆炸作用机理数值模拟

申涛; 罗宁; 向俊庠; 高祥涛

doi:10.11883/bzycj-2017-0410

切缝药包爆炸作用机理数值模拟

doi: 10.11883/bzycj-2017-0410

申涛^{1, 2},
罗宁^{1, 2, 3, ,},
向俊庠^{1, 2},
高祥涛⁴

1.
中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏徐州 221116
2.
中国矿业大学力学与土木工程学院, 江苏徐州 221116
3.
中国科学技术大学近代力学系, 安徽合肥 230027
4.
贵州省公安厅治安总队, 贵州贵阳 550001

基金项目:

国家自然科学基金项目 11502282

国家自然科学基金项目 51579239

学科前沿科学研究专项面上项目 2017XKQY013

中国博士后基金项目 2014M551700

详细信息

作者简介:
申涛(1993-), 男, 硕士研究生

通讯作者:
罗宁, nluo@cumt.edu.cn

中图分类号: O382
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出版历程
- 收稿日期: 2017-11-10
- 修回日期: 2017-12-14
- 刊出日期: 2018-09-25

Numerical simulation on explosion mechanism of split-tube charge holders

SHEN Tao^{1, 2},
LUO Ning^{1, 2, 3
, ,},
XIANG Junxiang^{1, 2},
GAO Xiangtao⁴

1.
State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
2.
School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
3.
Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui, China
4.
Guizhou Public Security Bureau, Guiyang 550001, Guizhou, China

摘要

摘要: 为研究切缝药包定向控制爆炸机理，基于双缝/耦合切缝药包爆轰行为高速纹影实验，建立"炸药-切缝管-空气"模型，采用数值模拟方法研究切缝药包爆炸过程中冲击波相互作用、爆炸流场压力时空分布和切缝管形态变化。研究结果表明：切缝药包爆炸过程中切缝管能够有效控制爆炸能量释放和爆生气体动力学行为；切缝方向压力超前且高于非切缝方向；在爆炸冲击波及爆生气体共同作用下，切缝管曲率不断变小且从起爆点处以相同的变形特征沿切缝管轴向发展；数值模拟结果与实验结果吻合。
- 定向控制 /
- 爆破 /
- 切缝药包 /
- 爆生气体 /
- 高速纹影
Abstract: To explore the directional-control blasting mechanism of a split-tube charge holder, a model was established by coupling explosive, a split-tube, and air. On the basis of the experimental results of the double split-tube charge holder by the high-speed schlieren system, the established model was used to carry out numerical simulations to investigate the interaction of shock waves, the spatial and temporal distribution of pressure in the explosion fields, and the morphological changes of the split-tube. The investigated results show that in the explosion processes of the split-tube charge holder, the split-tube can effectively control the energy release of explosive and the dynamic behavior of detonation gas; the pressure in the cutting direction appears earlier and it is higher than those in the non-cutting directions; under the joint action of the explosion shock waves and the detonation gas, the curvature of the split-tube decreases continuously and develops along the axial direction of the split-tube with the same deformation characteristics from the initiation detonation point; the numerical simulation results are in agreement with the experimental ones.
- directional control /
- blasting /
- split-tube charge holder /
- detonation gas /
- high-speed schlieren

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图 1 几何模型参数与边界设置

Figure 1. Geometric model parameters and boundary settings

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图 2 有限元网格与局部放大网格

Figure 2. Finite element meshes and local amplified meshes

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图 3 冲击波相互作用机理模型

Figure 3. Shock wave interaction mechanism model

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图 4 切缝药包爆轰过程高速纹影实验和数值模拟结果

Figure 4. Experimental and numerical simulation results for the detonation process of a split-tube charge holder

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图 5 5个特征单元的位置

Figure 5. Positions of five elements

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图 6 有无切缝管时药包内部单元压力时程曲线

Figure 6. Pressure-time curves in the inside elements of the charge with and without split-tube

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图 7 特征单元的位置

Figure 7. Positions of elements

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图 8 有切缝管时药包外部单元压力时程曲线

Figure 8. Pressure-time curves in the outside elements of the charge with split-tube

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图 9 特征单元的位置

Figure 9. Positions of elements

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图 10 有/无切缝管时药包环向压力峰值与峰值时刻

Figure 10. Circumferential peak pressures and their corresponding times of the charge with and without split-tube

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图 11 切缝管形态变化过程

Figure 11. Morphological change process of split-tube

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表 1 铜管参数^[16]

Table 1. Parameters of copper pipe^[16]

ρ/(g·cm^-3)	G₀/GPa	σ₀/GPa	β	n	γ₁	σ_m/GPa	b	b′	h
8.93	47.7	0.12	36.0	0.45	0	0.64	2.83	2.83	3.77×10^-4
f	A	T_m0/K	γ₀	a	p_cut/GPa	K_spall	C/(m·s^-1)	S₁	a_G^*
0.001	63.5	1 790.0	2.02	1.4	-9.0	3.0	3 940	1.49	0.47
注：a_G^*指Grüneisen状态方程中的参数a。

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参考文献(18)

[1]	FOURNEYW L, DALLY J W, HOLLOWAY D C. Controlled blasting with ligamented charge holders[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1978, 15(3):121-129. DOI: 10.1016/0148-9062(78)90006-2.
[2]	王树仁, 魏有志.岩石爆破中断裂控制的研究[J].中国矿业学院学报, 1985(3):118-125. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/kyyjykf200006014 WANG Shuren, WEI Youzhi. Fracture control in rock blasting[J]. Journal of China Institute of Mining and Technology, 1985(3):118-125. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/kyyjykf200006014
[3]	YANG R S, GAO X T, LIU G Q, et al. The structure design of slit-charge for directional fracture controlled blasting in stone drifting[J]. Advanced Materials Research, 2012, 619:388-392. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.619.388.
[4]	王汉军, 黄风雷, 张庆明.岩石定向断裂爆破的力学分析及参数研究[J].煤炭学报, 2003, 28(4):399-402. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2003.04.014. WANG Hanjun, HUANG Fenglei, ZHANG Qingming. Mechanics effect analysis and parameters study on borehole directional fracture blasting[J]. Journal of China Coal Society, 2003, 28(4):399-402. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2003.04.014.
[5]	罗勇, 沈兆武.切缝药包岩石定向断裂爆破的研究[J].振动与冲击, 2006, 25(4):155-158. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2006.04.042. LUO Yong, SHEN Zhaowu. Study on the directional fracture controlled blasting with slit-charge in rock[J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(4):155-158. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2006.04.042.
[6]	谢华刚, 阮怀宁, 吴玲丽, 等.复合型切缝药包机理分析及微差爆破试验[J].煤炭学报, 2010, 35(增刊1):68-71. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.s1.045. XIE Huagang, RUAN Huailing, WU Lingli, et al. Compound slit-charge mechanism analysis and millisecond blasting experiment[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(suppl 1):68-71. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.s1.045.
[7]	魏晨慧, 朱万成, 白羽, 等.不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟[J].爆炸与冲击, 2016, 36(2):161-169. DOI: 10.11883/1001-1455(2016)02-0161-09. WEI Chenhui, ZHU Wancheng, BAI Yu, et al. Numerical simulation on cutting seam cartridge blasting under different in-situ stress conditions[J]. Explosion and Shock Waves, 2016, 36(2):161-169. DOI: 10.11883/1001-1455(2016)02-0161-09.
[8]	WANG Y B. Study of the dynamic fracture effect using slotted cartridge decoupling charge blasting[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2017, 96:34-46. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2017.04.015.
[9]	MA G W, AN X M. Numerical simulation of blasting-induced rock fractures[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(6):966-975. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2007.12.002.
[10]	杨仁树, 高祥涛, 陈程, 等.切缝药包爆炸波传播机制实验研究[J].煤炭学报, 2014, 39(8):1434-1440. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2014.9005. YANG Renshu, GAO Xiangtao, CHEN Cheng, et al. Experimental study on blast wave propagation mechanisms of split-tube charge holders[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(8):1434-1440. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2014.9005.
[11]	康德, 严平.基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟[J].爆炸与冲击, 2014, 34(5):534-538. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)05-0534-05. KANG De, YAN Ping. Movement characteristics of high-velocity fragments in water medium:Numerical simulation using LS-DYNA[J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(5):534-538. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)05-0534-05.
[12]	LSTC. LS-DYNA keyword user's manual:Version 971[M]. California:Livermore Software Technology Corporation, 2012.
[13]	高祥涛.切缝药包爆轰冲击动力学行为研究[D].北京: 中国矿业大学(北京), 2013: 43-44.
[14]	STEINBERG D J, COCHRAN S G, GUINAN M W. A constitutive model for metals applicable at high-strain rate[J]. Journal of Applied Physics, 1980, 51(3):1498-1504. DOI: 10.1063/1.327799.
[15]	王礼立, 胡时胜, 杨黎明, 等.材料动力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 2017:133-137.
[16]	时党勇, 李裕春, 张胜民.基于ansys/ls-dyna 8.1进行显示动力分析[M].北京:清华大学出版社, 2005:250-264.
[17]	MEYERSM A. Dynamic behavior of materials[M]. John Wiley & Sons, Inc., 1994:45-50.
[18]	尹协振, 续伯钦, 张寒红.实验力学[M].北京:高等教育出版社, 2012:324-326.

施引文献

期刊类型引用(21)

1.	李雪，王传兵，王雁冰，梅洪嘉，李琰庆，王兆阳，肖殿才. 多炮孔岩体等离子体爆破定向致裂机理研究. 工程科学学报. 2025(02): 259-270 . 百度学术
2.	杨彦鑫，林子雲，吴建建，卢锋. 基于SHPB的切缝药包防护特性研究. 工程爆破. 2024(02): 19-26 . 百度学术
3.	罗宁，柴亚博，牟恭雨，王一鸣，王路伽. 深地页岩储层聚能射流侵彻及损伤致裂机理研究. 金属矿山. 2024(05): 179-189 . 百度学术
4.	叶贵根，孟康. 聚能射孔弹粉末药型罩本构参数反演研究. 实验技术与管理. 2024(09): 92-100 . 百度学术
5.	刘朕，杨仁树，左进京，赵勇，翟柏洋，宋国康，王玉富，王南南，祝贺超. 新型双聚能药包裂纹扩展规律及周边控制爆破试验研究. 中国矿业大学学报. 2024(06): 1171-1184+1197 . 百度学术
6.	张宪堂，陈长青，刘小康，夏姣姣，周红敏. 双孔切缝爆破裂纹扩展机理及损伤特性研究. 爆破. 2024(04): 45-53 . 百度学术
7.	杨仁树，李成孝，陈骏，邹凤仪，王雁冰，肖成龙，张召冉. 我国煤矿岩巷爆破掘进发展历程与新技术研究进展. 煤炭科学技术. 2023(01): 224-241 . 百度学术
8.	牟恭雨，罗宁，申涛，梁汉良，柴亚博，翟成. 聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制. 爆炸与冲击. 2023(03): 85-101 . 本站查看
9.	刘迪，顾云，孙飞，李飞，陈顺禄，刘勤杰. 基于聚能射流的岩石定向劈裂机制. 爆炸与冲击. 2023(08): 81-91 . 本站查看
10.	丁家仁，曹华彰，蒋楠，蔡忠伟，常雄. 引水隧洞光面爆破参数优化数值模拟及现场试验研究. 安全与环境工程. 2023(05): 46-53 . 百度学术
11.	薛永利，王静，顾云，李飞，刘迪，孙飞，陈顺禄. 混凝土双向多点聚能定向劈裂成缝实验研究. 工程爆破. 2023(05): 113-119 . 百度学术
12.	赵志鹏，欧阳烽，何富连，许旭辉，杨阳，徐瑞阳. 切顶沿空留巷双向聚能爆破关键参数研究. 煤矿安全. 2022(02): 226-233 . 百度学术
13.	吴波，韦汉，徐世祥，许杰，黄宗辉. 基于SPH的椭圆双极线性聚能药包控制爆破数值模拟研究. 煤炭科学技术. 2022(05): 135-142 . 百度学术
14.	曹祺，吴伟. 聚能爆破技术在淮南矿区张集矿的应用研究. 淮南职业技术学院学报. 2022(04): 118-120 . 百度学术
15.	吴波，崔耀中，韦汉，徐世祥，蒙国往，蔡俊华. 基于赋权灰色关联分析的聚能药包炮孔参数优化. 工程爆破. 2022(05): 1-8 . 百度学术
16.	吴波，韦汉，徐世祥，黄劲松，张景龙，李华隆. 不同装药结构的双向聚能药包爆破数值研究. 工程爆破. 2021(01): 14-21 . 百度学术
17.	魏天乐. 特厚煤层顶煤深孔预裂爆破技术研究. 能源与环保. 2021(12): 305-309+313 . 百度学术
18.	马守龙，宗琦，张守旸，汪海波，朱玉飞. 轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究. 中国安全生产科学技术. 2020(02): 92-96 . 百度学术
19.	申涛，罗宁，戚福州，梁汉良，杨维好，马占国. 切缝药包岩石巷道光面爆破数值模拟与优化研究. 采矿与安全工程学报. 2020(04): 674-680 . 百度学术
20.	吴波，韦汉，徐世祥，农忠建，黄劲松，黄宗辉. 聚能光面爆破光爆层参数优化研究. 有色金属工程. 2020(12): 113-121 . 百度学术
21.	邵珠山，郜介璞. 切缝药包爆破损伤特性的模拟分析. 工程爆破. 2020(06): 35-41 . 百度学术