爆破动载荷作用下的矿山岩土液化建模和数值模拟研究

在矿山爆破动载荷的强烈作用下,岩土层可能产生液化现象,并形成井下泥石流,造成重大损失。针对程潮铁矿长期存在的跑黄泥和泥石流安全隐患,基于饱和两相介质非线性固液耦合理论,提出了应用伯克利大学的OpenSees平台对矿山岩体与砂土液化现象进行数值模拟,并使用无量纲分析法对影响岩土液化的因素进行了分析研究。最后,应用修正萨道夫斯基回归公式和爆破震动速度与加速度的等效性,求得矿山岩土液化程度与爆破用药量的关系曲线。     

矿山岩土液化有限元数值模拟与π定理的耦合研究

实际工程中的矿山泥石流现象非常复杂,仅靠理论分析对矿山安全中的岩土液化问题进行求解存在许多困难。应用OpenSees有限元平台和非线性空隙介质固液耦合本构方程理论对矿山岩体与砂土液化现象进行数值模拟,应用无量纲分析法分析了复杂的矿山泥石流现象影响因素。无量纲分析结果与实际情况一致,且能够直观地表达各无量纲量对岩土液化现象的影响,为矿山安全生产研究提供了一种新的思路和依据。     

爆破振动对充填体影响的数值模拟分析

结合某矿山分段凿岩阶段出矿嗣后充填的采矿方法,利用LS-DYNA软件对中深孔爆破对充填体安全稳定性的影响进行数值模拟,提取动载荷作用下充填体内部一系列质点振动速度,加以对比分析,以此确定单段起爆药量等爆破参数,控制爆破对充填体的影响,达到安全生产的目的。     

空区与爆破动载荷双重扰动下临界振速及安全距离计算

通过对实测爆破震动数据的分析,并结合相关数值模拟方法,对空区与爆破动载荷双重扰动下的露天边坡进行了稳定性分析,得出边坡的安全系数为1.04,水平与竖直方向的临界安全振速分别为9.948,4.488cm/s。在爆破振速衰减规律与安全振速结合分析的基础上,反推出了露天边坡爆破的安全距离,为矿山安全生产提供了科学依据。     

境界顶柱稳定性的数值模拟研究

露天转地下开采的矿山，其境界顶柱稳定性将直接影响到矿山的安全生产。本文以石人沟铁矿为例，运用ANSYS有限元分析软件，建立三维数值模型，模拟了动载荷作用下分步回采引起顶柱及采场的应力、变形情况，并对结果进行了详细的分析，得出了有价值的结论，有利于指导矿山的安全生产。     

爆破动载作用下边坡临界振速及安全距离的计算

结合现场爆破地震监测数据,通过有限元数值模拟的方法提出了爆破振动作用下边坡动力安全系数时程变化的计算方法。该方法以动力有限元时程分析得到边坡安全系数随爆破载荷加强而不断降低的变化特征,当边坡安全系数为1时,边坡处于临界状态,此时边坡承载的振动速度即为临界破坏振速,通过插值法计算得到边坡临界破坏振动速度,并结合爆破地震波的传播规律反推得到爆破安全距离,为矿山边坡维护以及生产爆破提供科学有效的参考。     

上游筑坝法尾矿坝爆破震动响应测试与分析

上游筑坝法尾矿坝长期处于欠固结状态,密实度较低、结构松散,在频繁的矿山生产爆破地震作用下极易出现液化区,进而导致坝体失稳。针对某矿业公司对矿山生产爆破导致产生的水平地震加速度进行了测试,并将其作为输入地震波,对尾矿坝进行了动力有限元响应分析。分析结果表明,初期坝较后期堆积坝响应强烈,在爆破震动作用下尾矿坝体内没有液化区产生,因此可以认为矿山目前所采用的生产爆破规模不会对坝体稳定性产生不利影响。     

爆破动荷载对充填体内预留巷道的稳定性研究

开采爆破的动力扰动对巷道稳定性影响的研究是矿山安全生产的重要方面。为了研究不同扰动下充填体内预留巷道的动力响应规律,通过3DEC软件建立了巷道动力稳定性分析的三维数值模型并进行了数值模拟分析,分析了爆破动载荷下巷道周围的变形特征以及应力场分布特征。研究结果表明：爆破在一定程度上改变巷道周围的压应力、拉应力区的范围。采用钢筋网+钢丝绳的预留巷道开采方式,可以很大程度上的削弱巷道外爆破动力扰动,提高巷道稳定性。     

露天矿山开挖边坡爆破振动损伤规律及稳定性分析

由于露天矿山开采中频繁受到爆破振动作用,边坡破坏机制及稳定性分析极为复杂,对安全生产造成严重威胁。文章以矿山开挖边坡为背景,基于工程地质状况及现场试验测试,采用理论分析与数学计算相结合的方法量化爆破荷载,建立边坡爆破损伤计算模型,确定边坡破坏时间及最危险区域,并通过数值模拟方法验证计算结果准确性。计算结果表明：边坡经7次爆破后上部台阶发生破坏,最危险区域位于爆破初始位置120～160m处。同时,数值模拟结果与该计算结果具有高度的一致性,充分验证了该方法计算结果的准确性。     

爆震条件下淤积砂基础的抗液化安全评价

三峡二期高土石围堰座落在极易液化的新淤积砂基础上，故在基坑钻爆开挖过程所诱发的爆破震动作用下对该淤积砂基础进行抗液化安全评价极具工程意义。本文利用爆震条件下一期围堰淤积砂基础中动孔隙水压力实测资料，结合二期围堰的静力有限元计算成果，设法对二期围堰淤积砂基础是否液化作出科学的评估。     

毫秒微差爆破技术在深部缓倾斜薄矿体安全强采中的应用研究

针对深部缓倾斜薄矿体开采生产能力小、效率低、安全性差、技术难度大等难题, 依据毫秒微差爆破机理, 利用非线性动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对连续段毫秒微差爆破、跳段毫秒微差爆破和瞬间爆破方式进行了数值模拟对比分析, 提出了一种适用于深部缓倾斜薄矿体的安全强采技术--浅孔多段毫秒微差爆破技术。通过对几种爆破方式在爆破岩块碰撞和爆破震动等方面的比较分析, 优选出跳段毫秒微差爆破方法并应用到湘西金矿深部采场开采中。现场工业试验结果表明, 新方法比传统方法在生产能力、生产效率、炸药单耗、回采周期、矿石块度、安全性等方面具有明显的技术经济优势, 具有良好的推广应用价值。     

露天矿爆破荷载等效施加方式的探究

为了较为准确数值模拟爆破荷载的等效施加方式,基于强度折减法基本理论分析边坡稳定性,针对露天矿爆破开采时的特殊爆破荷载,提出了能够仿真模拟实际爆破荷载的等效加载方式。该等效加载方式首先对露天矿爆破荷载进行分析,爆破荷载是由爆源中心环向向四周传递,将爆破荷载等效加载到粉碎区外边界上,与实际的炮孔爆破荷载形式较为吻合;利用FLAC3D建立露天矿边坡数值模型,分析在爆破动载下边坡的动态响应特征,运用强度折减法计算得到露天矿边坡的动力安全系数。最后与以往将爆破振动施加到模型边界的等效施加方式进行对比,验证了此等效施加方式应用于爆破动载下露天矿边坡稳定性分析中的可行性与合理性。     

工作面上覆煤柱载荷及煤柱爆破效果分析

工作面上覆残留煤柱给煤矿安全生产带来严重的安全隐患,在回采过程中极易引发煤岩动力灾害。本文理论计算了宽度不同、两侧顶板跨落方式不同的两条煤柱载荷,并应用弹性力学理论计算了煤柱载荷传递至下覆煤层对应煤柱位置的应力大小;采用FLAC~(3D)数值模拟技术模拟了上覆煤柱爆破前和爆破后工作面内对应煤柱位置的垂直应力分布特征,通过矿压监测系统监测液压支架在周期来压期间和非周期来压期间支护阻力的平均值。由数值模拟和现场实测结果可知:煤柱爆破后工作面内对应煤柱位置的垂直应力有明显的降低,工作面回采过程中没有出现来压异常等煤岩动力现象。因此,煤柱预裂松动爆破技术可以有效治理由上覆煤柱而诱发的工作面回采过程中的煤岩动力灾害,切实保证工作面的安全回采。     

胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究

空场嗣后充填采矿方法被越来越多地应用到地下金属矿床开采中，胶结充填体不仅要承受上部静荷载，还要面临二步骤采矿爆破冲击，因此研究胶结充填体动力学特性及其爆破响应对于保证采矿安全具有重要意义。通过单轴抗压强度（UCS）以及霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bars， SHPB）对胶结充填体进行动静载试验，在此基础上，应用ANSYS/LS-DYNA 软件对二步回采过程中的胶结充填体爆破响应特征进行了模拟研究。结果表明：①胶结充填体动抗压强度随着应变速率增加而增加，近似为线性关系，高应变条件下，其动抗压强度约为静抗压强度的2倍；②二步骤采矿爆破时充填体保护层厚度对振动响应速度和有效应力有明显影响，因而有必要为充填体预留设足够厚度的保护层，否则会导致充填体振动响应速度和有效应力过大；③起爆方式对胶结充填体爆破响应也有明显影响，孔口起爆时，保护层厚度要大于1.5 m才能满足充填体安全要求，而孔底起爆时，保护层厚度需达到1.8 m。上述分析对于充填采矿中胶结充填体强度以及二步回采中保护层厚度、起爆方式设计具有一定的参考意义。     

中深孔无井拉槽挤压爆破工艺参数优化

切割拉槽爆破效果严重影响着地下矿山回采作业效率，为了解决某铁矿地下开采过程中无井拉槽爆破工艺效果不佳的问题，从传统的爆破工艺着手，首先对现场矿石颗粒进行挤压状态碎涨系数测试，然后通过数值模拟对爆破参数以及设计进行分析，最后结合现场爆破效果对爆破参数优化的合理性以及实用性进行验证。结果表明，传统爆破工艺存在补偿空间不足的问题，将爆破抵抗线1.2 m调整为1 m能够起到很好的爆破效果；通过爆破数值模拟分析，爆破过程中抵抗线方向最远单元点有效应力值大于矿石动态抗压强度61.3 MPa，同时挤压爆破过程中产生的应力波对矿石起到类似于挤压的作用，挤压强度达到试验要求，矿石碎胀系数小于1.333，满足爆破补偿空间要求；常规爆破条件下抵抗线计算公式并不适用于本次无井拉槽爆破，应考虑公式乘以一个补偿系数K0，根据具体情况补偿空间比例确定，爆破参数修正后，爆破效果良好，达到本次爆破工程要求。本次试验为矿山地下开采无井拉槽爆破施工工艺提供了实用的理论及数据依据。     

嗣后充填采场爆破与充填体稳定协同效应研究

嗣后充填采场二步采过程中,兼顾爆破破碎效果和充填体稳定对于矿山高效、安全开采有重要意义。通过分离式霍普金森压杆（SHPB）试验获得矿石和充填体的动力学参数,以此为基础,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同孔底距、排间距和充填体保护层厚度等多种方案的爆破效果及充填体响应进行模拟分析,并通过山东金鼎铁矿现场爆破监测数据,拟合了质点振动速度的萨道夫斯基公式,结合数值模拟结果,分析应用数值模拟的可行性。研究结果表明：①50.3%品位磁铁矿动态抗压强度为53.8 MPa、动态弹性模量为21.6 GPa、动态抗拉强度为11.7 MPa,充填体平均动态抗压强度约为6.19 MPa;②爆破效果数值模拟显示,孔底距2.9~3.1 m、排间距1.8 m、保护层厚度大于等于1.5 m的爆破方案炸药能量利用最充分,爆破效果最好,且充填体最大振动速度小于12 cm/s,满足爆破安全规程的要求,能保证充填体稳定;③拟合公式推算结果和数值模拟结果基本一致,ANSYS/LS-DYNA软件用于模拟地下深孔爆破效果及充填体稳定性可以获得较为理想的效果。     

动静组合作用下大跨度凿岩硐室稳定性分析

安徽某铜矿采用大直径垂直深孔阶段矿房法开采，首采采场开采深度为800 m，跨度达到30 m，爆破振动对周边岩体及采场结构产生了极大扰动，加之大爆破过程引发岩体能量的释放和转移，极有可能形成采场主要结构失稳，威胁回采安全。为研究大跨度凿岩硐室在动静组合作用下的稳定性，依据矿山实际情况，利用FLAC3D 5.0数值模拟软件对该矿首采矿段201大跨度凿岩硐室在动静荷载组合作用下的稳定性进行了数值模拟分析，并与现场监测结果进行了对比。研究表明：开采过程中，最大主应力以及塑性区主要集中于条柱上，顶板在失去条柱支撑后位移增加较大，条柱支撑作用明显；开采结束后，条柱全部回采，顶板位移达到最大值，间柱成为主要支撑结构，整个开采过程中凿岩硐室较为稳定，分析结果与监测结果相吻合。建议后续开采之前适当增加凿岩硐室条柱宽度并实施锚网联合支护以提高抗压能力；通过优化爆破参数降低爆破振动对顶板的影响，并对凿岩硐室中间区域的顶板施加长锚索支护；对模拟分析和监测中容易出现破坏的区域进行布点监测，为后续开采中地压灾害防治提供有价值的信息。     

孟家沟极贫矿中深孔爆破数值模拟与应用

应用有限元分析软件Ls-dyna建立极贫矿爆破的三维模型,并用此软件的求解器和后处理器对极贫矿中深孔爆破过程进行了数值模拟。通过数值模拟,分析了不同孔网参数条件下,爆破动载作用对极贫矿中深孔爆破破碎效果的影响。经过实践验证,该类型爆破数值模型具有一定的应用价值。     

某金矿"三下"开采移动带内地表稳定性分析

为确保移动带内地表村庄、河流、道路的安全，同时最大限度地开采地下资源，结合某金矿大断裂带构造条件下采用尾砂胶结充填采矿法的工程实例，运用概率积分法理论计算出的矿山安全开采深度为108 m，小于覆岩厚度（130 m），满足安全开采要求。采用FLAC3D数值模拟方法对该矿“三下”开采移动范围内典型剖面的地表沉降进行了分析，经计算，最大倾斜变形为0.022 mm/m、最大水平变形为0.019 mm/m，与地表实测数据较接近，满足建（构）筑物保护等级要求。根据矿山井下爆破工程特点，计算出的矿山最大爆破安全允许距离为96 m，认为矿井爆破振动不会影响至地表。研究表明：该矿“三下”开采移动带内地表建（构）筑物安全稳定，对于该矿安全高效开采以及类似矿山开采移动带范围内的地表稳定性分析有一定的参考价值。