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数值模拟在爆破工程教学中的应用

发布时间:2016/2/23 16:55:46   阅读:

摘要:针对爆破工程课程教学过程中存在的抽象的问题,引入数值模拟技术,对其中的抽象问题进行分析,举例对台阶爆破和间隔装药进行了数值模拟建模分析,论证了数值模拟技术在爆破工程教授过程中的应用及其意义,对类似课程的教学提供了可借鉴的理论。

关键词:爆破工程;数值模拟;举例分析;台阶爆破;间隔装药

1概述

随着爆破工程技术在采矿和路桥建设中的普遍应用,且爆破技术作为采矿工程的主干课程,其学习和应用对采矿工程专业的就业和发展有很大的意义,但是在讲授爆破工程课程中由于其研究对象的破坏性和不可重复性,使得现场试验具有一定的困难,因此在讲授相关课程的过程中,学生普遍反映存在抽象、晦涩难懂的问题,笔者将根据教学需要引入数值模拟技术作为辅助教学手段。数值模拟是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁,其在爆破方面的应用是通过采用接近实际的数学物理模型,对岩石的动态破坏现象进行模拟,用以展示岩石爆破整个作用过程和效应,从而有助于深入认识了解岩石爆破作用机理;在工程技术领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法,但就其实用性和应用的广泛性而言,主要还是有限单元法,同时数值计算结果的可靠性又可通过实验研究得到佐证[1-2]。学习和了解数值模拟对爆破工程的学习有一定意义,尤其针对初学者,因此,本文结合笔者多年的教学和学习过程,对数值模拟技术在爆破工程教学课程教学过程中的意义进行阐述。

2我校爆破工程学习现状

由于爆破工程学科属于专业基础课,在学习了基本的学科《流体力学》、《岩石力学》、《高等数学》和计算机相关技术后进行学习,有力学和数学基础后,爆破工程相关的数值模拟的学习将会有一定的基础。另外,爆破工作作为井巷工程的前奏可以有承上启下的衔接作用。且在现有的爆破工程课程的学习过程中,由于教材众多,教材讲述的重点不尽相同,导致学生在学习过程中教辅课本选择有困难,并且本校的学科背景为煤矿,由于学科背景的特点,多偏重瓦斯和放火方面知识,导致本校的学生对爆破工程的应用以及发展知之甚少,因此,上课过程中学生普遍提不起学习兴趣,课程受不到足够的重视,因此,教学过程中的生动和形象化对讲授效果有重要的影响。爆破工程技术作为矿山开采的重要技术之一,学习好爆破工程对学生的毕业设计和就业大有裨益。因此学习数值模拟在爆破工程课程中的应用有重要的意义,在爆破工程中对课程的掌握有很强大辅助的作用。

3数值模拟技术在爆破工程教授过程中的应用

(1)应用案例1:台阶爆破。台阶爆破是工作面以台阶形式推进的爆破方法,台阶爆破已经广泛的应用于矿山、铁路、公路和水利水电等工程中,而且有数据表明我国今年来露天矿开采的产量比重,铁矿石占90%,有色金属矿石占52%,化工原料占70.7%,建筑材料几乎100%,可见台阶爆破应用的广泛性[3-5],更加体现了其的重要性,但是关于台阶的相关参数理解,学生普遍反映理解有一定的困难,但是本校没有可以进行试验的平台和仪器,也无露天矿模型可以参观,因此理解的过程中依赖数值模拟技术较为实际。以下为笔者借助数值软件LS-DYNA建立的台阶爆破模型。可以清楚地看到台阶的平台以及炮孔的布置,对露天矿的直观了解可以加深学生的记忆。

(2)应用案例2:间隔装药。间隔装药方式属于装药结构一种,装药结构是指装药在装填时的状态,在露天深孔爆破时候,分为连续装药结构、分段装药结构、孔底间隔装药结构和混合装药结构,因为孔底间隔装药可以做到:①孔底间隔装药中空气可以起到降低爆炸冲击波的峰值压力,减少炮孔周围岩石的粉碎性破坏;②岩石受到爆炸冲击波的作用后,还受到爆生气体所形成的压力波和来自炮孔孔底的反射波作用,因此可以有效地增加岩石的微裂隙扩展;③可以有效地延长应力的作用时间,因为冲击波作用于堵塞物或孔底后又返回到空气间隔中,由于冲击波作用多次,所以增加了作用时间,因为有以上的优点,所以,孔底间隔装药技术在改善爆破效果方面得到了广泛的应用[6-10],但是学生在学习过程中对孔底间隔装药技术的理解很不全面,因此,必须借助数值模拟技术对其进行有效的诠释,以下为间隔装药的数值模拟过程。为数值模拟建模可以清晰的把台阶爆破呈现出来,为底部间隔装药数值模拟装药结构,底部为空气,上部为炸药,为计算结果的第一主应力曲线,可以直观观察第一主应力随时间变化过程,因为岩体在现实中往往存在节理裂隙,模型的建立选取了理想状况下,因此,结果和实际结果有一定差距,但是其直观和规律以及可预见性是不容置疑的,对控制爆破等爆破技术的预先计算作用是得到了广泛肯定的,对爆破工程教学有很大的帮助作用。

4结论

本文对数值模拟在爆破工程中的应用进行了阐述,并针对我校的爆破工程讲授内容以及存在的问题进行分析,并进行了举例分析数值模拟技术在爆破工程课程教学过程中的作用。结果表明,数值模拟技术可以形象地呈现教学内容,并且可以有效地提高学生的学习兴趣,学生可以直观地感受到爆破工程课程的学习意义,提高学习质量。

参考文献:

[1]王玉杰.爆破工程[M].武汉:武汉理工大学出版社,2007.

[2]戴俊,王树仁.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]王玉杰.爆破安全技术[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[4]刘殿中.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[5]张世雄.固体矿物资源开发工程[M].武汉:武汉理工大学出版社,2005

[6]戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2001,20(2):144-147.

[7]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京:科学出版社,2005:70-72.

[8]张袁娟,黄金香,袁红.缓冲爆破减震效应研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):967-973.

[9]康强.裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究[D].武汉理工大学,2012.

[10]A.H.哈努卡耶夫.矿岩爆破的物理过程[M].刘殿中,译.北京:冶金工业出版社,1980.

作者:张袁娟 可杰 农冬灵 单位:河南工程学院安全工程学院 河南理工大学安全科学与工程学院 郑州宇通集团有限公司 北京市地质矿产勘查开发总公司

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