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。     

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。     

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。     

平行双自由面岩体爆破炮孔堵塞效应研究

为研究平行双自由面岩体炮孔堵塞效应,借助动量定理推导出炮孔堵塞长度范围计算公式;利用有限元软件LS-DYNA,采用ALE多物质算法,建立4 m深的四孔无限岩体模型。通过分析自由面附近单元应力峰值和岩体应力分布规律,得到:炸药长度为2.4 m的无堵塞炮孔爆破效果最优;1.2 m炸药长度的炮孔模型中,单向堵塞和非对称堵塞爆破对岩体的应力分布规律无影响,但岩体自由面附近单元的应力峰值增大,作用时间加长;双向对称堵塞的最佳堵塞长度为1.0~1.2 m。对比不同参数下的工程爆破效果,采用数值模拟结果的工程爆效最优,证明了数值模拟结果的正确性。     

小净距隧道先行洞爆破开挖对后行洞围岩稳定性影响研究

为研究小净距隧道先行洞爆破开挖对后行洞围岩稳定性的影响,以浙江义东高速防军隧道项目为工程背景,根据能量衰减规律推导出爆破施工中围岩振速计算公式,采用有限元软件MIDAS GTS NX模拟不同净距条件下围岩振速及应力的变化规律,将围岩振速数值结果与理论值进行对比分析,验证了振速计算公式的准确性。根据振速与应力之间关系,提出保证隧道安全施工的振速阈值。结果表明：后行洞围岩振速大小理论值与模拟值最大相对误差为5.9%,与现场监测数据最大相对误差为7%,验证了理论公式的准确性;后行洞隧道振速峰值与先行洞隧道爆破中心距呈负相关,围岩迎爆侧面监测点振速峰值大于背爆侧,2D为防军隧道爆破施工时最小安全净距(D为隧道净距),此时上台阶开挖最大振速峰值约为下台阶的1.2倍;爆破开挖后围岩应力峰值与振速峰值主要集中在拱腰及拱脚附近,随着净距增大,先行洞对后行洞的影响逐渐减弱,最终忽略不计;爆破作用下,围岩应力峰值和振速峰值具有一定线性关系,保证隧道爆破安全施工的振速控制阈值为1.9 cm/s,研究成果可为今后类似小净距隧道工程爆破施工提供借鉴。     

循环爆破荷载作用下小净距隧道中夹岩的累积损伤特征分析

为了研究循环爆破荷载对小净距隧道中夹岩的影响,以六月田分岔隧道为工程背景,采用LS-DYNA有限元软件建立分岔隧道的三维模型。基于HJC本构模型,通过引入损伤变量,模拟循环荷载作用下小净距隧道保留岩体的累积损伤演化过程,探讨中夹岩累积损伤程度、损伤范围与爆破次数之间的关系;在此基础上,根据损伤区质点振速衰减规律,通过数据拟合,建立单次爆破装药量、最大损伤范围与临界损伤峰值质点振速之间的函数关系;最后利用现场的声波测试结果与数值模拟结果进行对比,验证数值模拟结果的合理性和准确性。研究结果表明,数值模拟结果与现场测试结果较为吻合,最大损伤范围出现在中夹岩的拱肩;相比单次爆破,循环多次爆破开挖造成的累积损伤范围明显增加,临界损伤峰值质点振速显著降低。     

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.     

隧道明挖段拉槽爆破时既有隧道结构动力响应特性

研究确定拉槽爆破开挖对既有隧道结构的影响特征是制定正确合理控制爆破方案的前提。为此,以雅山隧道明挖段岩体拉槽爆破开挖为背景,利用数值模拟和现场爆破试验研究浅孔拉槽爆破时下部既有隧道结构的振动特性。数值模拟结果表明:在既有隧道上部进行浅孔拉槽爆破时,既有隧道衬砌各质点的竖向振动均明显较水平振动强烈,对爆破振动控制起主要作用;距爆源较近一侧隧道拱肩衬砌的质点竖向振速峰值为最大,且其随单段起爆药量增加而显著增大;既有隧道衬砌上的竖向质点振速峰值与Von-Mises应力间呈明显线性关系,当衬砌振速阈值设定为4.5cm/s时,既有隧道衬砌的动力安全系数为2.0。现场试验结果证明了利用数值模拟方法可有效指导拉槽爆破开挖和爆破振动测试方案的制定,并据实测振动数据回归分析得到了可优化设计拉槽爆破单段起爆药量的计算公式。     

高密度聚乙烯波纹管爆破振动动力响应尺寸效应

为研究爆破振动作用下高密度聚乙烯（high?density polyethylene,HDPE）波纹管动力响应的尺寸效应,采用现场预埋管道的爆破试验及动力有限元数值计算相结合的方法,通过振动监测结果分析 HDPE 管道动力响应数值计算模型的可靠性;在此基础上,建立相同条件下不同管径 HDPE 管道的数值模型,研究尺寸效应影响下的埋地管道动力响应特征。研究结果表明：在爆破振动作用下,管道各截面迎爆侧的振速和 von?Mises 有效应力均大于管道背 爆侧,管道振速峰值出现于管道底部;随着管径的增大,管道振速与有效应力会随之减小;管道有效应力与峰值速度之间、管道振速与地表振速之间均具有函数关系;根据 HDPE 管道相关规范中最大的允许压力,可得到管径为 40,50,60,80 和 100 cm 的 HDPE 波纹管（空管）在类似岩土层条件下地表爆破控制振速为分别为 22.5,20.91,19.70,17.91,16.64 cm/s。     

下穿地铁隧道爆破作用下人防隧道的动力效应

隧道爆破作用下邻近既有隧道的安全性是爆破施工中的重点关注内容,以武汉地铁8号线洪山路站至小洪山站区间隧道爆破开挖为例,研究下穿地铁隧道爆破作用下上方既有人防隧道的动力效应.使用LS-DYNA建立了隧道爆破有限元数值模型,并结合现场振动监测数据验证数值模型的可靠性,对人防隧道的动力响应特征进行研究.现场测试和数值模拟研究表明:随着爆心距的增加人防隧道衬砌结构质点峰值振速(PPV)逐渐减小,PPV最大值出现在爆源正上方;人防隧道衬砌结构稳定性受拉应力控制,隧道底板和拱顶主控拉应力为隧道环向,边墙主控拉应力为垂直方向;衬砌结构最危险截面位于爆源上方,此截面最可能破坏的位置是迎爆侧拱脚,破坏方式为从内至外的拉破坏.基于极限抗拉强度计算分析得到的隧道衬砌结构振速安全阈值为14.9 cm/s.     

硬岩地下洞室工程爆破振动与围岩损伤范围相关性研究

为了简便而准确地获取爆破荷载下硬岩地下洞室围岩损伤范围,以某待建重要地下洞室工程为研究背景,采用理论分析和数值模拟的方法,根据爆破设计方案,建立不同药量条件下多段延时爆破累积损伤计算模型,利用等效爆破荷载的方法和LS-DYNA完全重启动技术,得到多段延时爆破荷载作用下的爆破振动数据和围岩累积损伤范围。分析地下洞室围岩累积损伤效应,研究爆破振动与围岩累积损伤范围之间的相关性。研究结果表明：诱导地下洞室周边围岩损伤的荷载主要来自于二圈孔和周边孔爆破,其中洞室拱顶围岩损伤范围(2.21 m)明显大于拱腰围岩损伤范围(2.05 m);爆破全时程振动曲线的峰值处于掏槽孔延期时间范围内,与造成洞室周边围岩损伤的爆破段位不一致,应以对围岩损伤影响较大爆破段位的质点峰值振动速度研究与围岩损伤范围的相关性;建立了围岩累积损伤范围与爆破药量、爆心距和质点峰值振动速度之间的量化关系,得到了可通过任意爆心距处质点峰值振动速度推断围岩累积损伤范围的函数关系式,为控制围岩爆破损伤提供依据。     

爆破震动作用下地下洞室支护结构的动态响应分析

大跨度地下洞室顶拱锚喷支护结构在爆破震动作用下的稳定问题是决定地下厂房安全施工与运行的关键因素,运用动力有限元数值模拟,研究了该类型支护结构在爆破震动作用下的动态响应特点,得出了结构中峰值振速和峰值应力的分布规律.     

含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

为了丰富切槽爆破增透理论,以期为指导切槽爆破增透实践提供理论依据,采用理论分析、数值模拟、相似模拟试验的方法对切槽爆破在含控制孔情况下的裂隙扩展机制进行研究。研究表明:控制孔作用下的切槽爆破在切槽根部会产生抑制区,切槽方向上的压应变峰值是切槽45°方向上的压应变峰值的2.77倍,是拉应变峰值的1.94倍;应力波传播至控制孔后反射成拉伸波,反射拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加,促进切槽尖端裂隙的扩展。说明含控制孔的切槽爆破可以有效避免爆破裂隙的随机发育,对爆破裂隙有着良好的控制导向作用,可达到定向爆破煤岩体的效果。     

含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

为了丰富切槽爆破增透理论,以期为指导切槽爆破增透实践提供理论依据,采用理论分析、数值模拟、相似模拟试验的方法对切槽爆破在含控制孔情况下的裂隙扩展机制进行研究。研究表明:控制孔作用下的切槽爆破在切槽根部会产生抑制区,切槽方向上的压应变峰值是切槽45°方向上的压应变峰值的2.77倍,是拉应变峰值的1.94倍;应力波传播至控制孔后反射成拉伸波,反射拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加,促进切槽尖端裂隙的扩展。说明含控制孔的切槽爆破可以有效避免爆破裂隙的随机发育,对爆破裂隙有着良好的控制导向作用,可达到定向爆破煤岩体的效果。     

路基爆破开挖对采空区稳定性影响研究

为研究路基爆破开挖产生的振动将对地下采空区稳定性的影响,通过运用有限元软件MIDAS/GTS建立二维数值模型,分析采空区在爆破荷载作用下的位移、速度和应力变化。在建立模型的过程中,注意选择合适的采空区上覆岩层力学参数、爆破荷载的施加方法以及模型边界。数值模拟结果表明:路基爆破开挖引起围岩应力的重分布,将加剧采空区上覆岩层中裂缝、离层及断裂的形成进程,导致采空区地表发生沉陷变形。因此在采空区上方地表进行路基爆破开挖时,应通过采取控制最大单响药量和最佳的起爆顺序等措施来减小爆破荷载对采空区稳定性的影响。     

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。     

低透气性煤层双孔预裂爆破增透数值模拟

煤层深孔预裂爆破增透技术可以有效解决低透气性煤层瓦斯难抽采问题,通过研究不同爆破方法对煤体破坏范围的影响进而确定合理的爆孔半径对提高瓦斯抽采率具有重要的意义。以潞安矿区漳村煤矿3#煤层为研究对象,采用数值模拟的研究方法研究了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影响的范围。研究结果表明:单孔爆破模型应力波的传播特性以及爆破影响范围与双孔爆破模型存在明显差异,双孔爆破应力叠加破坏煤体的范围要远于单孔爆破对煤体的影响;通过钻孔间距为5 m、8 m和10 m的两孔连续起爆模拟结果比较,确定漳村煤矿3#煤层预裂爆破两爆破孔的合理间距为8 m。     

频繁爆破振动作用下砖混结构安全控制标准研究

考虑建筑物受爆破振动的安全控制标准不应忽略爆破振动循环往复的影响，基于结构爆破振动累积损伤理论，将结构受爆破振动时各部位都处于弹性变形阶段的临界峰值振速作为频繁爆破振动作用下建筑物的安全控制标准，采用数值模拟的分析方法，研究频繁爆破振动作用下砖混结构的受损规律和安全控制标准的取值范围。针对设定的特定材料参数及模型条件，计算得到完整砖混结构临界峰值振速为0.67 cm/s,应力集中的部位出现了拉伸损伤，因此建议对于砖混结构这类抗震能力较弱的建筑物来说，其频繁爆破振动作用下的安全控制标准的取值范围可按现行爆破安全规程中对一般民用建筑物爆破振动安全允许标准按最不利频率设定的下限值再乘以一个折减系数来取值，折减系数可根据情况取0.45～0.55。考虑受损结构在频繁爆破振动作用下的安全控制标准时，应综合考虑建筑物的实际受损情况，采用不导致裂缝扩展的临界峰值振速和确保结构各部位都处于弹性变形阶段的临界峰值振速中的较小值作为振动安全控制标准。