深埋矿体采场爆破对矿柱的损伤特性研究

千米级矿产资源在采用房柱法开采过程中,由于深部岩体“三高”赋存环境及爆破开采的“强扰动”性,导致深部矿体开采面临难以预测灾害事故,因此高应力岩体采场爆破对矿柱的损伤机理与效应研究对深部采场作业安全具有重要意义。以陈台沟铁矿深部采场爆破开挖为背景,建立采场扇形孔爆破的三维数值模型,研究不同地应力水平下采场爆破对矿柱的损伤特性,同时从理论角度借助数值模拟阐述并验证了地应力与爆破荷载相互作用的机理。结果表明：在炮孔近区(5倍炮孔半径内),围岩主要受压剪作用,在炮孔中远区(10倍～25倍炮孔半径),围岩受环向拉应力作用明显;炮孔近区的压剪应力峰值主要由爆炸荷载的贡献,受地应力影响较小,中远区的环向拉应力峰值受地应力的影响较大,且随地应力的增大而减小;在地应力水平较小时,矿柱不同区域的损伤深度在不同地应力水平下具有不同衰减趋势,在地应力水平较大(大于20～30 MPa)时,矿柱不同区域损伤深度的衰减趋至相同程度;地应力使矿柱损伤深度减小的原因在于地应力的存在减小了矿柱内的拉应力,同时通过对拉应力影响范围的估计,给出了不同埋深采场爆破时安全距离的建议值。     

爆破作用下影响矿柱稳定性的多因素联合分析

为了保证爆破载荷下矿柱的稳定性,采用现场监测试验和数值模拟分析相结合的方法,基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了矿体开采模型。通过对比试验与模拟的振速时程曲线,确定了数值模型的可靠性。研究爆破作用下矿柱的应力峰值和作用范围的变化规律,以及两者联合作用对矿柱稳定性的影响。结果表明：地下矿山采用平行排列布孔进行爆破施工时,矿柱受水平方向振动作用强烈;当矿柱与爆源的距离小于10 m时,矿柱的拉应力峰值为9.03 MPa,叠加空气冲击波的作用容易导致矿柱发生破坏;随着应力作用范围的递减,应力主要集中在矿柱的顶部或底部。建议保留矿柱为双曲面型,且增加矿柱的防护。     

一维静载与频繁扰动共同作用下含铜蛇纹岩动力学特性

基于冬瓜山铜矿深部开采面临的高应力集中及爆破扰动的问题,采用改进的SHPB岩石动静组合加载试验系统,进行了含铜蛇纹岩在一维静载与频繁扰动共同作用下的动力学试验,研究其动力学特性。研究结果表明:预加轴压促使岩石内部微裂纹完全闭合时,岩石动态应力-应变曲线初始阶段不出现下凹现象,否则出现;岩石内部存储的弹性力大于扰动冲击应力时,岩石动态应力-应变曲线峰值应力后会出现回弹现象,否则不出现;动态峰值应力、动态变形模量随扰动冲击次数的增大而减小,60%单轴抗压强度的轴压时峰值应力最大;峰值应力均值随轴压的增大先增大后减小;最大应变、峰值应力对应应变随扰动冲击次数的增大而增大;累计扰动冲击次数最大值与均值都随轴压增大呈一元四阶多项式关系递减。     

不同应力条件下组合孔爆破破岩规律数值模拟研究

深部矿山爆破开采不可避免的受到初始地应力的作用,为探究高地应力下组合孔破岩规律,对初始应力与组合孔爆炸应力联合破岩机理进行分析,开展不同应力作用下组合孔爆破破岩数值模拟研究.结果表明:初始应力对爆破作用的抑制或者促进取决于其与岩石的弹性极限的对比关系,当初始应力小于岩石的弹性极限时,表现为抑制作用,当初始应力大于岩石的弹性极限时,表现为促进作用.加载不同初始应力时(岩石峰值应力为90.58 MPa),组合孔破坏失效单元个数、裂隙扩展长度均符合"先减小后增大"的趋势,且拐点处应力值为25 MPa,为岩石峰值应力的27.6％,与岩石应力-应变全过程曲线中弹性极限应力值一致;提取分析测点处的有效应力及振动速度可知,随着初始应力的增强(20～50 MPa),测点处耦合应力呈线性增大趋势,表明初始应力与爆炸应力耦合作用下,初始应力占主导作用;组合孔方案中超前致裂孔爆破为前排孔创造新的自由面,监测点处的振动速度监测情况表明,组合孔爆破方案具有很好的减震作用.     

动力扰动下采空区围岩非线性响应演化特性分析

为更好地再现地下金属矿深部采空区爆破扰动响应模型,将实测并去噪的爆破振动曲线作为动力加载,运用三维动力有限差分法,揭示围岩非线性演化特性并探讨采动顺序对其稳定性影响。动力扰动下,采空区顶、底板的最大、最小主应力明显大于其它部位,且出现拉应力;质点爆破振动监测时程曲线非线性特性强烈;垂直振动速度主要集中于采空区顶、底板,最大值25.2 cm/s。爆破瞬间,采空区东帮(先开挖侧)水平动位移值呈非线性上升,出现较大的动应力集中系数波动幅度和水平振动速度最大值(21.9 cm/s);塑性区也主要集中于东帮围岩且剪应变增量也相对较大。研究表明:采动顺序一定程度上影响了围岩稳定性,并且依据动力响应特性分析结果调整参数后的爆破设计有效控制了爆破边界,提高采场稳定性。     

片岩隧道爆破对本洞和邻洞围岩的扰动分析

隧道爆破扰动会引起本洞或邻近隧道的围岩振动和应力重分布,致使既有隧道的结构遭受破坏,从而危及行车安全。为探究隧道开挖引起的截面围岩质点振速峰值和拉应力峰值的关系及其分布规律,结合十白高速公路碳质片岩隧道爆破工程,运用LS-DYNA软件对连拱隧道掘进爆破和单隧道掘进爆破工况进行了计算,探明了典型截面围岩质点振动峰值和动拉应力峰值分布特征,分析得出了在爆破近区隧道围岩质点振速峰值方向和拉应力峰值方向之间相互垂直及其分布规律,在爆破中远区隧道围岩质点振速峰值方向和拉应力峰值方向相同并在一定范围类存在比例关系,为隧道开挖过程中最佳测点布设提供理论依据,并能为类似实际工程提供参考依据。     

爆破震动作用下高地应力巷道动力响应特征与稳定性研究

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性,以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景,通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型,并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作用下巷道围岩振动方程。使用数值模拟研究了巷道围岩质点峰值振动速度（Peak Particle Velocity,PPV）的衰减特征,从应力分布规律的角度对理论分析进行了补充,并根据模拟结果对巷道围岩稳定性进行了分析。结果表明：巷道围岩振动方程显示,爆炸应力波入射角度的不同会导致巷道围岩不同区域的动态响应特征存在差异。随着爆心距增大,巷道轮廓面附近围岩PPV出现波动,并在自由面处获得最大峰值振速;地应力对巷道围岩PPV具有抑制作用,地应力越大抑制作用越明显,且不同位置围岩的PPV对地应力敏感度存在差异;随着地应力增大,爆破震动作用下巷道围岩受力状态从拉剪变为压剪,最大主应力和剪切应力也随之增大。研究认为随着埋深增加,在对爆破震动作用下巷道围岩的稳定性进行评估时地应力因素不可忽略。对于潘三矿超前预裂卸压爆破工程现场而言,除了巷道的直墙外,墙角、拱墙也是危险区域,应当着重予以加...     

爆破对矿柱可靠性的影响

爆破对矿柱应力和强度的影响地采矿山矿柱支承着矿房顶板,若矿柱破坏则会引起剧烈的地压活动,严重威胁矿山生产和人身安全.开采中,爆破对矿柱的破坏作用使矿柱分成两个区(图1):靠近矿柱表面的破损区和矿柱芯部的完好区.两个区的应力分别为:     

地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究

随着深部开采环境逐渐复杂,为实现安全高效的工程爆破施工,针对深部开采爆破作业所面临的高地应力和穿越破碎带的问题展开分析研究。运用有限元分析软件ANSYS-LS/DYNA中的隐式-显式耦合分析程序对双向等压、双向不等压下含裂隙岩体进行数值模拟,研究高地应力区对含裂隙、弱面等岩体进行爆破开挖这一特殊工况。研究结果表明:深部含裂隙岩体爆破开采过程中,在各向等压地应力场开采环境下,随着围压增加单元的拉应力逐渐降低而单元的压应力并未得到显著提升,同时靠近裂隙右侧部分单元的压应力达到该测线压应力的峰值,并且压应力随围压增大而增大;在各向不等压地应力场环境下,当侧压系数为1.33时,炮孔与裂隙区域处该测线拉应力达到了峰值。因此,在深部开采爆破过程中应重点关注含有裂隙等破碎带处的地应力场,对爆破开挖的安全高效实施有着重大影响。     

含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制

为探究地应力影响下含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制,运用断裂力学原理建立了爆破扰动下深部岩体含水裂纹扩展的力学模型,通过定义等效爆破扰动荷载推导出了岩体动静耦合强度因子的计算表达式;同时,通过对拉剪型和压剪型裂纹断裂的分析,了解到爆破扰动、水压力、地应力、裂纹倾角等因素对裂纹断裂的影响方式,获得了裂纹断裂的广义断裂准则,并进行实例运算,结果表明:在拉剪型断裂中,地应力对其相同方向裂纹的断裂起促进作用;在压剪型断裂中,不同侧应力系数下裂纹最易发生断裂的角度与岩体的内摩擦系数有关;爆破扰动荷载相当于增大了裂纹水的压力。     

含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制

为探究地应力影响下含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制,运用断裂力学原理建立了爆破扰动下深部岩体含水裂纹扩展的力学模型,通过定义等效爆破扰动荷载推导出了岩体动静耦合强度因子的计算表达式;同时,通过对拉剪型和压剪型裂纹断裂的分析,了解到爆破扰动、水压力、地应力、裂纹倾角等因素对裂纹断裂的影响方式,获得了裂纹断裂的广义断裂准则,并进行实例运算,结果表明:在拉剪型断裂中,地应力对其相同方向裂纹的断裂起促进作用;在压剪型断裂中,不同侧应力系数下裂纹最易发生断裂的角度与岩体的内摩擦系数有关;爆破扰动荷载相当于增大了裂纹水的压力。     

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。     

临近边坡毫秒延时爆破合理延时时间试验

临近边坡毫秒延时爆破时需综合考虑岩体爆破效果及保留岩体稳定两方面因素,结合数码电子雷管开展毫秒延时爆破相似模型试验,采用动态应变测试仪及高速相机分别对边坡应力场和岩体裂缝扩展情况进行监测。结果表明:减振沟作用下,边坡表面径向应力峰值由2.26MPa降低为0.84MPa,切向应力峰值由1.16MPa降低为0.95MPa,径向与切向应变平均减振率分别为49.4%和35.2%;孔间延时时间为15ms或25ms时,可降低延时时间对应变峰值影响;孔间延时时间为11ms时,裂缝宽度平均值为11.79mm,可形成新自由面,孔间延时时间大于15ms,后孔爆破时,前序药包残余应力场几近消失。试验条件下,最优孔间延时时间为15ms。     

临近边坡毫秒延时爆破合理延时时间试验

临近边坡毫秒延时爆破时需综合考虑岩体爆破效果及保留岩体稳定两方面因素,结合数码电子雷管开展毫秒延时爆破相似模型试验,采用动态应变测试仪及高速相机分别对边坡应力场和岩体裂缝扩展情况进行监测。结果表明:减振沟作用下,边坡表面径向应力峰值由2.26MPa降低为0.84MPa,切向应力峰值由1.16MPa降低为0.95MPa,径向与切向应变平均减振率分别为49.4%和35.2%;孔间延时时间为15ms或25ms时,可降低延时时间对应变峰值影响;孔间延时时间为11ms时,裂缝宽度平均值为11.79mm,可形成新自由面,孔间延时时间大于15ms,后孔爆破时,前序药包残余应力场几近消失。试验条件下,最优孔间延时时间为15ms。     

爆破施工对邻近既有隧道的振动响应研究

针对新建隧道爆破施工影响邻近既有隧道结构的安全性和稳定性,以新建的衢宁铁路五都隧道为依托,采用LS-DYNA动力有限元程序建立小净距隧道爆破振动数值模型,分析既有隧道关键部位在受邻近爆破影响下的振动速度和应力;并结合现场监测数据,对新建隧道爆破施工中既有隧道结构的振动响应进行研究.研究结果表明:在合理的炸药当量下,既有隧道结构能承载爆破引起的有害振动;既有隧道在距离爆破点最近的断面振动速度达到峰值且衬砌中迎爆侧墙腰区域振动速度峰值和应力峰值最大.当爆破荷载达到破坏隧道衬砌混凝土破坏极限时,在动荷载作用下,破坏自墙腰部位起始,拱顶、拱脚和墙腰混凝土衬砌出现拉伸破坏,底板出现剪切破坏;在相同规模荷载作用下,既有隧道迎爆侧衬砌振动速度峰值与围岩级别呈正相关关系,对围岩薄弱的地区,应注意加强防护.     

同时起爆单排炮孔等效均布荷载的计算方法

针对钻孔爆破数值模拟过程中爆破荷载的计算与施加问题,对单排同时起爆炮孔的等效均布荷载计算方法进行了研究。通过理论分析和文献对比,发现许红涛提出的等效均布荷载计算方法存在理论错误。为此,通过对圆孔壁上的径向均布压力的分解与合成,推导了2个相邻炮孔远区介质中垂直于炮孔连线方向的均布应力的计算公式。通过建立脉冲荷载分别作用于含炮孔和无炮孔的长柱有限元模型,对计算模型与许红涛计算模型进行了对比。对比结果表明：当在含炮孔模型的每个炮孔壁上施加峰值为4280 MPa的均布脉冲载荷时,模拟得到炮孔远区指定单元中径向荷载峰值约为120 MPa;当在无炮孔模型平整端面上施加等效均布荷载时,采用计算方法施加的等效均布荷载峰值为111 MPa,模拟得到指定单元中径向荷载峰值约为110 MPa;采用许洪涛计算方法施加的均布载荷峰值为729 MPa,指定单元中径向荷载峰值约为725 MPa。用许红涛模型模拟得到的测点应力峰值是正确解的6倍左右,而用本文模型得到值略低于正确解10%左右。因此,本文提出的炮孔等效均布荷载模型具有更高的计算精度,可用于炮孔远区复杂爆破荷载的近似计算。     

承插式混凝土管道爆破振动动力响应尺寸效应研究

为研究爆破振动作用下不同内径规格承插式混凝土管道振动响应存在的尺寸效应,通过现场邻近管道爆破试验及其振动监测数据验证,结合动力有限元软件建立多尺寸管道爆破动力数值计算模型,分析承插式混凝土管道爆破振动响应特征;基于量纲分析基本理论,考虑管道尺寸效应影响建立管道爆破振动速度预测模型;结合混凝土的动抗拉强度,提出了不同内径混凝土管道的爆破振动速度控制标准。研究结果表明：管身和管道承插口峰值应力的出现存在时间差,管身峰值应力大于管道承插口,并随着管道内径的增加,两者峰值应力差值逐渐降低;在爆破地震波作用下,混凝土管道峰值振动速度随着管内径的增加而逐渐降低。     

爆破开挖对岩质高边坡稳定性的影响分析

以某采石厂矿石爆破开挖形成高边坡为例,采用ABAQUS有限元软件对爆炸荷载引起的岩石振动效应进行模拟研究,得到了岩质高边坡在爆破作用下的位移规律和质点振动衰减规律。分析了开挖扰动下地应力释放和爆炸应力波耦合作用下的边坡应力状态与边坡稳定性。结果表明:爆破振动产生的应力为静力开挖的9倍,振动造成局部岩体裂隙发育,是边坡出现塑性变形的主要原因;最大位移出现在边坡的中下部,质点振动的最大速度为59.2 cm/s。最后通过对边坡应力状态、塑性区的发展、位移变化以及质点的运动速度四个方面对边坡的稳定状态进行了综合评价,并今后指导施工提供一定依据。     

基坑开挖爆破作用邻近压力燃气管道动力响应特性研究

确保复杂城市环境基坑爆破开挖工程中邻近压力燃气管道的安全性是关键性问题。依托武汉地铁8号线二期竖井基坑爆破开挖工程,利用现场监测数据建立ANSYS/LS-DYNA三维有限元数值计算模型,分析计算了不同运行压力条件下埋地燃气管道的动力响应特性。研究结果表明:实际工况下管道截面峰值合振速为0.453 cm/s,单元峰值von-Mises应力4.95 MPa,压力燃气管道处于安全运行状态;管道截面峰值合振速大于其正上方地表振速,且两者存在线性关系,由此建立管道爆破振动速度的预测模型;管道截面峰值合振速、峰值von-Mises应力均位于迎爆侧,且随管道内压的增加而增加,内压为零时为最佳运行状态,由此建立了管道峰值von-Mises应力与内压、爆破参数的数学计算模型,为实际爆破工程的安全作业提供指导。     

高陡边坡动力响应研究

为研究爆破荷载作用下高陡边坡的动力稳定性问题,依托国家高山滑雪中心(延庆赛区)索道平台处边坡爆破工程,在现场监测的基础上结合数值模拟对爆破破岩过程中边坡的速度场、应力场和位移场进行了研究。研究结果表明:对于边坡坡顶平面,随着爆心距的增大,质点振速峰值呈现衰减趋势,一定范围内V_(垂向)V_(径向)V_(切向),质点垂向振速主频主要集中在0～50 Hz范围;对边坡坡面,随着爆心距增大,质点振速、位移总体呈现衰减趋势,台阶处受"鞭梢效应"影响,产生放大效应,并且具有方向性;台阶处应力峰值与振速峰值并非在同一位置出现,岩体边坡的岩体边坡的稳定性应综合考虑振速峰值大小及应力是否超过岩体的抗拉强度来判断。