深部高地应力下岩石双孔爆破的损伤规律

为了研究岩石在深部高地应力下的爆破损伤演化规律,基于HJC损伤本构建立岩石双孔爆破模型,采用隐-显式序列算法,综合考虑炮孔间的相互作用、埋深以及侧应力系数因素的影响,设置不同工况条件开展数值计算。结果表明:无地应力条件下,在孔距50～130 cm变化的过程中,发现沿炮孔孔心连线方向的损伤半径逐渐增大,垂直孔心线方向损伤半径逐渐减小;有效破碎面积的变化呈现钟形曲线,存在最佳孔间距d=70 cm使孔间损伤裂纹贯通的同时,有效破碎面积达到最大。地应力工况条件下,在侧应力系数λ=1时,有效破碎面积减小,x和y方向损伤半径均减小,损伤裂纹的扩展受到抑制。而在λ≠1时,损伤裂纹更偏向于地应力较大的方向发育,另一方向的损伤扩展受到抑制。深度即地应力的大小对岩体爆破效果并无线性关系,深度越大,对应侧应力系数下地应力对爆破效果的作用越明显。     

缓倾斜薄——中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究

浅孔落矿爆破损伤直接影响到回采的损失贫化率和采场安全。采用ANSYS/LS-DYNA三维非线性动力有限元软件,研究矿山回采浅孔爆破落矿时炮眼沿矿体走向和垂直矿体走向布置的2种爆破方案。模拟研究浅孔落矿不同时刻围岩的有效应力云图和矿柱、顶板不同位置监测点的有效应力时程曲线,并引入爆破荷载下岩石Von Mises屈服准则,分析了顶板、矿柱的损伤范围和破坏范围。研究结果表明:在控制装药量和炮孔数量一定的情况下,当炮孔沿矿体走向方向布置时,爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧帮5 m,爆炸动荷载对矿柱的破坏范围在距离矿房侧帮2~3 m。当炮孔垂直矿体走向方向布置时,爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧帮4~5 m,爆炸动荷载不会对矿柱产生破坏作用;两种爆破方式对顶板的损伤范围在1~1.5 m,对顶板不会产生破坏作用。爆破数值模拟能在时间和空间上反映爆炸应力特征,为寻求最优的爆破施工方案提供了可靠的依据。     

基于分形理论的围岩动静力组合损伤研究

深埋隧洞爆破开挖过程中,爆炸荷载和地应力的共同作用是造成围岩损伤的主要原因,威胁到岩体工程的安全。首先在原有裂纹分形模型基础上,引入最大拉应力理论和应变能密度理论作为联合判据,同时考虑岩体拉伸和压缩损伤对围岩参数的劣化影响,建立适合于高地应力条件下的爆破开挖拉-压剪损伤本构模型。然后将模型成功嵌入到动力有限元数值分析中,对锦屏水电站引水隧洞爆破开挖损伤效应进行动力计算,并与实测数据进行对比。在此基础上研究了相同地应力环境下,不同爆炸装药条件对围岩损伤的影响规律。结果表明:岩体损伤区中,内损伤区损伤程度大,主要受爆炸荷载拉-压剪联合损伤作用;外损伤区,损伤程度相对较轻,主要受地应力影响。当爆炸荷载达到一定量级后,随着爆炸荷载的增大,围岩的损伤区先快速增大,然后增速减缓,但内外损伤区的差值,则是先减小后增大。     

地下洞室爆破开挖诱发围岩损伤特性及PPV阈值研究

地下洞室爆破开挖产生的围岩损伤主要由爆破荷载和地应力重分布共同作用引起。针对圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,采用LS-DYNA有限元数值模拟研究了不同地应力水平下爆破开挖诱发围岩损伤的机理及爆破损伤PPV阈值变化规律。研究表明:地应力对爆破荷载产生的张拉损伤起抑制作用,高地应力条件下,爆破荷载产生的岩体损伤仅限于围岩表层,地应力重分布引起的岩体压剪破坏是围岩中大范围损伤区形成的主要原因;爆破过程中开挖面上地应力瞬态释放所产生的附加动应力也是影响围岩损伤的重要因素,相比于准静态卸荷,地应力瞬态卸荷产生的围岩损伤范围更大;随着地应力水平的提高,岩体爆破损伤的PPV阈值呈先增大后减小的变化趋势,地下洞室爆破安全振动控制标准应考虑地应力状态的影响。     

高静应力矿柱受爆破荷载的稳定性分析

高地应力、高温和高孔隙压力的环境特点使深部岩体的组织结构和工程响应均发生明显变化,也导致深部开采中事故的频繁出现。为了控制某金属矿深部采场的稳定性,结合实际利用ANSYS有限元程序对深部长方体矿柱进行数值计算,分析承受高静应力矿柱在不同爆破扰动峰值下的稳定性。研究表明,该矿柱在爆破扰动峰值为30MPa～40MPa时进入塑性阶段,矿柱出现失稳现象。     

大型地下厂房开挖爆破损伤影响范围及评价研究

针对溪洛渡主厂房浅孔台阶开挖爆破工程,根据C-J爆轰理论和强度统计理论等分别得到炮孔壁上爆炸冲击荷载曲线和考虑压、拉损伤的岩石动力损伤本构关系。在FLAC3D数值软件中应用该爆炸荷载曲线和本构关系,并建立模拟单个垂直炮孔起爆的三维有限差分计算模型,分析岩石爆破动力响应,得到爆破损伤影响范围特性。同时在现场进行了爆破试验、钻孔声波测试和爆破振动速度测试。将现场试验、基于TCK体积拉伸损伤模型的数值计算与考虑压、拉损伤的数值计算的结果对比,验证压、拉损伤数值模型的合理性。研究成果表明,受地表自由面影响,岩石爆破损伤影响范围随深度增加而减小。炮孔顶部损伤影响水平半径最大,且该半径随单孔炸药量增大而显著增大;与最大损伤影响半径对应的水平径向质点峰值振动速度可作为爆破损伤安全判据;相对深度方向,水平径向为爆破损伤的主要扩展方向;数值计算结果较为合理,研究成果可为类似开挖爆破工程提供参考。     

溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响

为了研究埋岩溶隧道爆破开挖时围岩损伤机制,通过动静组合(爆炸荷载、地应力共同作用)作用下岩体损伤演化方程建立应力场与损伤场之间的耦合关系,并根据渗透系数随损伤的变化方程建立动静组合作用下岩体渗流-应力-损伤耦合模型。利用COMSOL Multiphysics软件建立计算模型并进行二次开发,研究在不同溶洞空间位置及尺寸条件下爆破开挖对围岩稳定性的影响。研究表明:当溶洞位于隧道上侧时围岩中孔隙水压力最大;溶洞半径越大围岩中孔隙水压力越大。在孔隙水压力的作用下,隧道与溶洞间岩体中的有效应力先衰减后增强。随着有效应力的衰减,隧道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相反。     

不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究

为研究水下钻孔爆破中不同水深对爆炸冲击波和岩石破碎效应的影响,结合重庆万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽开挖工程,通过ANSYS/LS-DYNA动力有限元程序,得到不同水深条件下爆炸冲击波拉应力峰值。运用MATLAB软件对不同水深岩石破碎拉应力峰值与炮孔距离的关系进行非线性拟合,计算得到不同水深条件下不同炮孔距离的峰值拉应力理论值,进而获得不同水深条件下的爆破损伤区域。研究表明炸礁区岩石上覆30 m左右水深情况下,爆破损伤区域半径为1.5 m,对水下钻孔爆破工程实践提供了依据。     

深部围压对岩体爆破损伤范围影响数值分析

深井矿山开采条件下,地应力环境更加复杂,为研究高应力围压对爆破破岩效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA分析软件建立了三维数值计算模型,设定开采深度H分别为1000 m、2000 m和3000 m三种方案,开展三向围压下岩体爆破损伤范围数值分析。研究表明:在相同岩石和爆破参数条件下,随着开采深度的增加,围岩压力随之增大,围压总体上对爆破损伤范围起到抑制作用,使得装药区的爆破损伤体积由H=1000 m时的2.21 m3降低至H=3000 m时的0.52 m3,降低幅度达到76.5%;且对拉伸破坏的抑制效果更明显,岩体爆破损伤类型由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转化。高围压条件下,岩体的围岩约束作用增大,一定程度上加大了爆破难度,但超过一定范围易于诱发岩爆事故。     

大冶铁矿爆破开采巷道围岩累积损伤规律研究

大冶铁矿东采场采用无底柱分段崩落法开采,频繁的中深孔爆破作业产生的爆破振动不可避免地对巷道围岩产生累积损伤,甚至诱发岩体的失稳破坏.结合大冶铁矿地下开采的生产实际,对其爆破开采所产生的爆破振动进行了监测,并对巷道围岩在爆破振动作用下的损伤累积规律进行了分析.试验数据表明,在单响药量和爆心距变化不大的情况下,随着爆破次数的增加,爆破振动的损伤逐步累积,损伤参数呈对数函数趋势增加.因此,尽管每次爆破诱发的爆破振动都低于《爆破安全规程》的控制标准,但爆破振动对围岩的损伤会不断的累积,不断使岩体的性能劣化,因而应视实际情况在爆破开采至一定次数后对巷道围岩进行检查和加固,以确保生产的安全.     

深部地层地应力水平与爆破振动频率特征的相关性

不同的地应力水平对深部岩体爆破振动的频率和能量分布具有重要影响。通过对不同地应力水平的深埋隧洞爆破开挖过程中实测围岩振动信号进行快速傅里叶变换,采用功率谱分析方法研究振动信号在不同频带上的能量分布。研究表明,实测爆破振动的低频振动(50 Hz)能量占总振动能量的百分比随应力水平的提高而增加;爆破振动在其频域中除了有一个主振频率外,还存在多个子频带,且各子频带振动的能量与主频带振动能量的差距随应力水平的提高而减小;伴随爆破破岩过程而发生的应变能瞬态释放效应诱发围岩振动的主频一般比爆炸荷载诱发振动的主频低;在50 MPa或更高应力水平下,应变能释放诱发的振动能量与爆炸荷载诱发振动能量大致相当。     

深部地层地应力水平与爆破振动频率特征的相关性

不同的地应力水平对深部岩体爆破振动的频率和能量分布具有重要影响。通过对不同地应力水平的深埋隧洞爆破开挖过程中实测围岩振动信号进行快速傅里叶变换,采用功率谱分析方法研究振动信号在不同频带上的能量分布。研究表明,实测爆破振动的低频振动(<50 Hz)能量占总振动能量的百分比随应力水平的提高而增加;爆破振动在其频域中除了有一个主振频率外,还存在多个子频带,且各子频带振动的能量与主频带振动能量的差距随应力水平的提高而减小;伴随爆破破岩过程而发生的应变能瞬态释放效应诱发围岩振动的主频一般比爆炸荷载诱发振动的主频低;在50 MPa或更高应力水平下,应变能释放诱发的振动能量与爆炸荷载诱发振动能量大致相当。     

台阶爆破相邻炮孔间损伤范围的数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA建立三合-新站石灰石矿台阶松动爆破模型,以最大拉应力是否超过动态抗拉强度作为判断岩体破坏的依据,对相邻炮孔间的损伤范围进行对比分析。结果表明,两孔间的损伤百分比随孔距的增大而减小,最后逐渐趋于定值;岩石损伤单元数随着孔距的增大先增大后减小,最后趋于定值。     

基于现场混装的宽孔距空气间隔预裂爆破技术

采用理论分析与现场试验相结合的方法研究了混装车装药条件下的宽孔距空气间隔预裂爆破技术。理论分析结果表明:空气间隔装药预裂爆破条件下,即使预裂孔间距较大,炮孔间岩体在爆生气体压力作用下产生的应力强度因子也往往大于岩石的断裂韧度,炮孔间可以形成预裂缝。结合河南经山寺露天铁矿上覆岩层剥离进行的现场试验结果显示:岩体质量较好时,采用18倍孔径的宽孔距空气间隔装药预裂爆破技术,可获得较好的边坡轮廓成型质量,但是炮孔装药段的岩体损伤较严重,损伤深度明显大于非装药段。     

地应力条件下的凿岩爆破数值模拟

为了研究地应力对凿岩爆破的影响,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下考虑地应力条件时的单孔和多孔凿岩爆破破岩过程。模拟发现,随着初始地应力水平的增加,裂纹扩展半径和破岩区域面积减小,裂纹发育主方向趋于地应力的最大主应力方向,初始地应力对裂纹的抑制和引导作用明显;初始地应力水平的增加,对拉伸裂纹的抑制作用更为显著,从而降低了拉伸破坏对爆破破岩的贡献。模拟也表明,在初始地应力存在的条件下,通过对爆破载荷和炮孔布置进行针对性的优化,可以克服地应力带来的影响,并取得预期的爆破效果。本研究对地应力条件下的凿岩爆破工程具有理论和参考意义。     

地应力条件下的凿岩爆破数值模拟

为了研究地应力对凿岩爆破的影响,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下考虑地应力条件时的单孔和多孔凿岩爆破破岩过程。模拟发现,随着初始地应力水平的增加,裂纹扩展半径和破岩区域面积减小,裂纹发育主方向趋于地应力的最大主应力方向,初始地应力对裂纹的抑制和引导作用明显;初始地应力水平的增加,对拉伸裂纹的抑制作用更为显著,从而降低了拉伸破坏对爆破破岩的贡献。模拟也表明,在初始地应力存在的条件下,通过对爆破载荷和炮孔布置进行针对性的优化,可以克服地应力带来的影响,并取得预期的爆破效果。本研究对地应力条件下的凿岩爆破工程具有理论和参考意义。     

露天矿地下采空区爆破崩落法治理效果的数值模拟研究

爆破崩落法是治理露天矿地下采空区的主要手段,数值模拟是研究爆破崩落效果的有效工具。基于连续-非连续数值模拟方法(CDEM),利用朗道点火爆炸模型实现了炸药起爆过程的描述,利用考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型实现了围岩损伤破裂过程的模拟。以弓长岭铁矿何家采场采空区为研究对象,重点探讨了炮孔间排距、起爆延时等对该采空区上覆岩层损伤破裂程度、空区填充程度及空区内大块率的影响规律。计算结果表明:炮孔间排距对爆破效果的影响较大,随着间排距的增大,塌落至空区的大块率逐渐增大,且塌落范围逐渐减小。当间排距为17 m时,仅空区顶板附近出现局部塌落,地表岩层依然处于稳定状态。起爆延时对爆破效果的影响较小,当起爆延时大于42 ms以后,塌落至空区的岩体块度分布基本一致,仅大块率有所区别。为了确保爆破崩落法的治理效果,建议炮孔的间排距不大于7m,炮孔排间延时不小于42 ms。     

起爆方式对台阶爆破根底影响的数值模拟分析

在台阶爆破中,根底率是评价爆破效果的一项重要指标。根据爆前、爆后岩体声波降低率,计算爆后保留岩体的损伤大小,确定临界破碎状态对应的损伤阈值。基于LS-DYNA的二次开发爆破损伤模拟技术,采用拉压损伤模型,对台阶爆破不同起爆点位置的爆破损伤效应进行数值模拟,并重点比较正向起爆和反向起爆条件下,相邻炮孔之间爆破根底的分布情况。模拟结果表明:起爆点位置能够影响能量和应力的分布状态,导致不同的爆破效果,正向起爆对孔底岩体有较好的破碎效果,能够有效地消除爆破根底,提高爆后台阶面的平整度。     

相邻炮孔间隔柱位置对爆破效果的影响

炮孔内柱状不耦合装药结构可以显著降低炸药单耗和矿岩大块率,这种爆破装药结构在工程爆破中广泛使用。为了在此装药结构基础上继续降低矿岩大块率,采用AUTODYN有限元软件,研究了相邻炮孔间隔柱对称与交错布置的不同组合方式对爆破效果的影响。模拟研究表明,相邻炮孔间隔柱交错布置时岩体内应力峰值相对小且分布更均匀,被爆岩体的初始压力峰值相对小,避免了岩体的过度粉碎,同时其峰值衰减更慢,延长了被爆岩体所受应力的有效作用时间,提高了炸药能量利用率。通过对采场试爆数据分析,表明相邻炮孔内间隔柱采用交错布置后,大块率减小,块度更加集中,直径为0~15cm的矿岩块度比例提高了约4%,平均块度大小较间隔柱对称布置方式降低了约15%。     

岩壁梁部位开挖施工关键技术研究

岩壁梁是桥式起重机运行时的受力结构,是地下厂房系统开挖的重点和最难点。针对瀑布沟水电站特大型地下厂房地应力高、岩体地质构造节理发育、工期紧迫及岩壁梁部位开挖质量要求高等特点,中部拉槽首次采用了“三步起爆一次开挖施工光面—预裂爆破”新技术,在岩壁梁岩台以上保护层部位采用“直孔和斜孔光面爆破一次开挖”方法,减少了爆破对岩壁的扰动,确保了岩壁开挖成型质量,创造了炮孔痕率100%、由爆破和围岩卸荷造成的影响深度在0.2~0.8m、岩壁平均超挖8.7cm的新记录,开挖质量优良。