初始地应力作用下岩石爆破裂纹扩展研究

为了研究初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,本文分析了不同初始地应力情况下的裂纹扩展机理,并考虑了具有初始损伤的岩体在地应力作用下的裂隙区半径。鉴于初始地应力作用下裂隙区公式计算的复杂性,对于等向围压的岩体,引入了强度折减系数用于计算裂隙区半径,并通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟出不同初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,并验证公式的适用性。得出如下结论：初始地应力作用下的岩体产生的爆破压碎区呈现类椭圆状,且随着初始地应力的增大其压碎区半径有着一定的增大趋势。单向初始地应力作用下对于爆破产生的主裂纹扩展起导向作用,裂纹的长度随着初始地应力的增大而逐渐减小,表现为抑制作用;双向等压地应力作用下主裂纹的扩展趋势为沿着最大主应力方向成大致成45°角,强度折减系数的引入有效的考虑了初始地应力作用下的岩体裂隙区半径;不等向初始地应力的裂纹扩展方向为沿着岩体最大主应力方向成一定角度,当一侧围压固定不变时,该角度会随着另一侧围压的改变而逐渐增大或者减小。     

地应力对岩体爆破影响的数值模拟

将无限大岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,基于双线性随动硬化屈服理论,采用ANSYS/ LS-DYNA对爆破过程进行模拟,研究垂直炮孔方向的双向地应力场对裂纹扩展规律的影响。模拟结果表明：双向等压下,裂纹区形状为圆形,其面积随地应力增大而非线性减小,但裂纹密度增大,给出了裂纹区面积与压应力之间的定量关系;而双向不等压情况下,裂纹区形状为近似椭圆形,长轴出现在较大压应力作用方向,短轴出现在较小压应力作用方向,在较小压应力不变的情况下,随着较大压应力增大,长轴先增大后减小,短轴减小,裂纹区面积先增加后减小,呈非单调变化。     

深井扇形组合孔短延时爆破裂纹扩展模拟研究

提出了一种扇形组合孔短延时爆破的构想,即在常规的每排扇形崩落孔中间增加一排致裂孔,崩落孔与致裂孔之间短延时间隔起爆。使用ANSYS/LS-DYNA对不同延时时间及不同围压加载条件下的爆破方案进行数值模拟研究,发现高应力环境下常规扇形孔爆破无法形成有效爆破漏斗,扇形组合孔短延时爆破则损伤破裂更加有效、破岩效果更好。此外对不同围压条件下的裂纹扩展进行分析,爆破裂纹扩展趋向于最大主应力方向。数值模拟及现场工程实践证实,当最大主应力方向与扇形崩落排孔成一定小角度,即平行崩落排孔方向加载较大围压、垂直排孔方向加载较小围压时,扇形组合孔短延时爆破不仅可以改善岩石破碎效果,也可以有效保护后排炮孔和保留岩体。     

炸药选型对岩石破碎的影响研究

依据岩石属性的多能量乳化炸药技术成为智慧矿山建设的方向之一.为研究炸药选型对岩石破碎的影响,利用数值模拟方法对乳化炸药和铵油炸药的3种爆炸载荷上升沿时间与岩石破碎效果的关系进行对比分析.结果表明,随着爆炸载荷上升沿时间的递增,炮孔附近的应力峰值先增大后减小,裂纹扩展的范围越大;对于最后一排炮孔进行爆破时,采用减小炸药量方法,也可以选择爆速小、密度低、爆炸载荷上升沿时间小的炸药;爆炸载荷上升沿时间越大,越有利于爆破岩体的抛掷,从而为后续爆破提供足够的自由面.     

断续节理相互作用的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统，研究了断续节理岩体中裂纹的产生与扩展机理，不同断续节理分布岩体的变形、破坏过程以及节理之间的相互作用和影响规律.研究指出，共线节理的裂纹产生并不相互影响，其裂纹扩展是各自独立地平行于压应力方向;左梯式节理的裂纹产生是相互作用的，主生裂纹沿压应力方向扩展，而次生裂纹沿垂直于节理面方向扩展一定长度后转向水平方向很快贯通于相邻节理;右梯式节理的裂纹产生并不相互作用，主、次生裂纹形成后各自沿压应力方向扩展，并不会贯通于相邻节理.裂纹的扩展是由于裂纹尖端的拉应力作用的结果.当节理在压应力作用下所产生的次生裂纹扩展达到相邻节理后，岩体就会产生贯通裂纹而破坏.     

爆破动载下岩石裂纹扩展影响因素的正交试验

针对爆破动载下巷道岩石裂纹扩展及岩体稳定性影响问题,以金山店铁矿岩石条件和爆破动载影响为依据,基于正交试验原理,选取初始裂纹各几何要素(裂纹长度、裂纹倾角、裂纹数量)、爆破动载和岩石力学参数为主控因素,设计18个不同的数值计算方案,并利用RFPA软件进行动力加载数值计算。通过不同方案下岩石裂纹扩展长度和声发射次数正交方差分析发现:各因素对裂纹扩展的影响不同,其中爆破动载大小对岩石裂纹扩展影响最大,其次是裂纹倾角、裂纹长度,最后是裂纹数量。此外,岩石力学参数对裂纹扩展也有一定影响,其中抗压强度对岩石裂纹扩展影响最大,而弹性模量及其它因素则影响较小。研究结果可以为采矿工程爆破控制及岩体稳定性评估提供一定理论依据。     

单向静载下柱状药包爆破裂纹扩展规律及机制

将岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,研究单向静应力对爆破裂纹的影响规律及机制。结果表明:无静应力时,爆破裂纹区形状大致为圆形;而施加单向静应力后,裂纹区形状演化成椭圆形,椭圆的长轴方向与静应力方向相同,且随着静载荷增加,裂纹区长轴基本保持不变,短轴长度降低。这是由于随静载荷变化,沿着加载方向单元的最大主应变基本不变;而垂直加载方向单元的最大主应变随着静载荷增加而减小,从而导致该方向裂纹长度降低。     

裂隙岩体爆生裂纹扩展机理数值模拟研究*

为研究裂隙岩体爆破裂纹扩展机理,采用LS-DYNA软件模拟含竖向单裂隙、水平单裂隙和竖向平行裂隙的岩体爆破过程,并讨论原岩应力对裂隙岩体爆破的影响。结果表明：炮孔连线中心处存在竖向单裂隙时,孔间裂纹均能实现贯穿,裂隙有闭合的趋势,且裂隙的存在有利于提高孔间岩石的破碎程度。炮孔连线处存在竖向平行裂隙时,裂隙尖端萌生的翼裂纹可以贯通,但平行裂隙之间无法实现良好的破岩效果。水平裂隙距炮孔较近时,应力波透射至裂隙面背爆侧后会产生较多拉伸裂纹。水平裂隙距离炮孔较远时,裂隙的阻隔作用较明显。在静水地应力作用下,岩石径向拉伸裂纹和尖端翼裂纹的萌生与扩展均受到抑制作用。在非静水地应力作用下,裂纹扩展在最小主应力方向受到的抑制作用更大,且该抑制作用随最大主应力的增大而增大。     

切槽定向断裂控制爆破的数值模拟研究

针对切槽定向断裂控制爆破进行了ABAQUS数值模拟研究,采用内聚力模型(CZM)成功模拟了爆生主裂纹的起裂和扩展过程。数值模拟结果表明,炸药起爆后,切槽炮孔在20μs时首先在切槽尖端产生损伤,在25μs时产生爆生裂纹,并在130μs时扩展至模型边界;炮孔切槽周围形成了较强的拉伸应力区,拉应力使爆生裂纹沿切槽方向优先起裂扩展,切槽方向的最大主拉应力峰值随时间呈先增大后减小的趋势;而在非切槽方向形成了压应力区,压应力的存在限制了非切槽方向裂纹的张开;切槽方向拉应力区形成的裂纹生长区和非切槽方向压应力区形成的裂纹抑制区的共同作用,使爆生裂纹沿切槽方向起裂、扩展,并最终形成断裂面。     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.