岩石爆破损伤的数值模拟

运用损伤力学研究了爆破区周边岩体的松裂机制,建立了损伤发展方程与本构模型;并运用该模型对１ｍ直径的基坑开挖进行了数值模拟计算和设计。模拟结果与实际基本吻合。     

地应力下岩石多孔爆破损伤演化数值模拟

为研究地应力作用下岩石多孔爆破裂纹扩展机理,基于LS-DYNA软件,讨论不同地应力下岩石孔间裂纹扩展与演化过程。结果表明：在各向同性地应力作用下,岩石爆生裂纹的扩展与演化会受到抑制,且抑制作用随地应力水平的提高而增强。裂纹的分布形态呈现各向同性的特征,各向同性地应力仅影响爆生裂纹的发育长度,主裂纹的扩展方向保持不变。在各向异性地应力作用下,爆生裂纹倾向于沿最大主应力方向演化。当岩体开挖方向与最大主应力方向一致时,地应力的抑制作用有利于保护预留岩体不受损伤。减小孔间距、孔内放置水袋和采用高爆速、高爆压的炸药均有利于实现高地应力作用下的孔间裂纹贯穿。水作为耦合介质所占比例从0提高到66%时,压碎区范围扩大了62%,裂纹数量增多;从66%提高到100%时,压碎区范围、裂纹数量无明显变化。其中,后两种方法有利于提高爆破致裂的效果,孔间裂隙发育更完全。     

球形装药岩石抛掷爆破初速度的数值模拟

根据球形装药爆炸载荷作用下岩石破坏以后，碎块加速运动物理过程的数值模拟，给出岩石抛掷爆破抛掷初速度的确定方法，并讨论了岩石抛掷初速度的分布规律，以及抛掷初速度与炸药单耗的关系。对硐室抛掷爆破抛掷距离的计算和控制爆破飞石距离的确定具有一定意义。     

爆破载荷作用下岩体损伤数值模拟研究

利用FLAC3D对大直径深孔爆破损伤进行数值模拟研究,分析其在不同装药高度条件下,深孔爆破对岩石损伤作用规律及发展过程。根据模拟结果得出不同爆破条件下岩石的损伤范围随爆破药量的增加而增加,并随时间变化明显,且通过对爆破药量与损伤半径进行回归拟合得出一可靠经验公式,用以确定合理的爆破参数。     

基于损伤的光面爆破参数优化数值模拟研究

针对大断面井巷掘进爆破产生的围岩损伤及超欠挖问题，需要对光面爆破参数进行优化研究。运用LS-DYNA软件，建立爆破模型，研究装药结构、孔间距与光爆层厚度对损伤变化的影响，并对现场参数进行优化。研究结果表明：炮孔装药部分两孔间损伤变化，在起爆后炮孔周围产生压裂损伤；随着冲击波扩展强度逐渐降低转变为应力波，此时矿岩未产生损伤破坏；随着应力波在炮孔间叠加效应，在中心线产生损伤并向两侧延伸；空气间隔装药损伤变化，随着应力波向空气间隔中心传播，损伤也逐渐向中心发展，损伤厚度逐渐降低，在中心处交汇并促进了损伤的扩展。空气间隔有利于应力波的传播，促进了损伤的发展。在空气间隔区域的原岩损伤主要是由相邻炮孔的应力波叠加与中间炮孔空气间隔区域两侧炸药引起的应力波的相互作用造成。空气间隔长度与炮孔孔间距增大，都会降低空气间隔区域岩石的损伤程度及厚度。根据理论计算与数值模拟结合，可以得出间隔距离为500 mm、孔间距为600 mm、光爆层厚度为700 mm较为合适。通过现场实验，提高了光面爆破效果，减少由于超欠挖现象造成的后期支护成本的增加，取得了良好的效果。     

爆破扰动对巷道围岩损伤的数值模拟

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明:应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

岩石爆破损伤断裂中的逾渗行为

爆破载荷作用下岩石损伤演化具有明显的逾渗效应，采用逾渗模型来描述岩石爆破损伤断裂之一过程是可行的，提出了进一步可能的研究途径。     

爆破开采诱发周边岩体损伤破裂的数值模拟研究

基于连续-非连续单元方法（CDEM）中的朗道点火爆炸模型及拉剪复合应变软化模型,探讨了爆破开采与炮孔周边岩体损伤破裂程度的对应关系。通过量纲分析,确定了爆破诱发岩体损伤破裂的主要影响因素;通过应变软化的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型,详细探讨了不同黏聚力及抗拉强度下,炮孔周边岩体的损伤因子随爆破距离的变化规律。数值计算结果表明：炮孔附近以压剪破坏为主,岩体处于完全损伤状态,出现具有一定半径的密集破碎带;在远离炮孔的区域,以张拉破坏为主,出现若干条贯通性的张拉裂缝;损伤因子随爆破距离的增加呈指数型衰减,并拟合获得了损伤因子与无量纲爆破距离、无量纲黏聚力及无量纲抗拉强度间的函数关系;强损伤区（损伤因子大于0.9的区域）的临界半径一般在2.5~5.5 m,仅受黏聚力控制;弱损伤区（损伤因子小于0.1的区域）的临界半径一般大于8 m,受黏聚力及抗拉强度的联合控制。     

邻近矿柱浅孔落矿不耦合装药爆破损伤控制的数值模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA三维非线性动力有限元软件对浅孔落矿邻近矿柱炮孔不耦合装药结构进行了数值模拟, 引入岩体爆破损伤的质点峰值震动速度安全判据及爆破损伤范围计算式, 分析了矿房和矿柱的爆破损伤范围, 采用爆破荷载下岩石Von Mises屈服准则分析了矿柱与其邻近炮孔的安全距离。结果表明: 随着炮孔不耦合系数增加, 爆破对矿柱损伤范围逐渐减小, 不耦合系数为1.38(炮孔直径为44 mm)时, 爆破对矿柱的损伤范围约为0.15 m, 相对于其他孔径的炮孔对矿柱的爆破损伤范围较小。邻近矿柱炮孔合理的装药结构能有效控制爆破损伤范围, 不同耦合条件下炸药爆炸矿柱稳定性与炮孔的距离有关。该研究为优化类似矿山的安全开采爆破参数具有一定参考依据。     

层状岩体爆破损伤断裂机理分析

分析了岩体交界层面之间具有黏结力的层状岩体的受力状况和爆炸应力波在层状岩体中的传播过程，比较了应力波在同一介质和不同介质、在相同传播距离的衰减状况．分析表明，层状岩体的断裂损伤是爆炸应力波的动作用和爆生气体静作用共同作用的结果，爆生裂纹可以在比以往理论预测值更低的气体压力作用下起裂和稳定传播，从而使气体的作用表现的更有效．     

基于数值模拟的预裂爆破参数优化研究

为了解决预裂爆破中预裂效果难以保证,爆破参数难以选取的问题,采用数值模拟技术对不耦合系数、孔间距等参数进行模拟分析。首先选取了RHT模型作为岩石材料模型,该模型能够较好地描述岩石在爆炸荷载下的拉伸和压缩力学响应行为。进而设计多个方案分别对不耦合系数和孔间距进行模拟,并分析其结果。模拟结果表明:不耦合系数越大,围岩受到的损伤破坏越小,而孔间距则对爆破损伤范围基本没有影响,但是其取值越大则不能形成有效的预裂缝,本次模拟确定最佳的爆破参数为不耦合系数k=3.5,孔间距L=700mm,为实际工程中预裂爆破中参数的确定提供了参考依据。     

双线隧道爆破振动危害数值模拟研究

以某双线隧道为研究对象,运用ANSYS/LS-DYNA程序就爆破动荷载对隧道结构影响进行有限元分析,获得了掘进隧道和相邻隧道质点振速、单元最大主应力分布特征,计算得到质点峰值振速与实测结果相对误差不超过8%.数值模拟的最大主应力结果表明:掘进隧道右侧墙受爆破振动影响最大,拱肩次之,拱脚处爆破影响最小;相邻隧道迎爆侧受爆破振动影响严重,侧墙处影响最大,拱顶次之,背爆侧受爆破影响小.     

基于损伤力学理论的脉冲压裂模型及模拟研究

脉冲压裂是一种新型的压裂增透技术,具有起裂压力低、压裂区裂纹扩展效果好等优点,更适用于非常规气体开采。首先,基于损伤力学理论和流固耦合理论建立了脉冲水压致裂的力学模型及其数值求解方法;其次,通过与已有实验的对比验证了本文所建压裂模型及其数值求解的正确性;最后,通过数值模拟初步研究了脉冲压裂频率、煤岩体力学参数(Biot系数)对压裂效果的影响机理。结果表明:1)脉冲角频率对最终裂纹扩展形态及扩展面积的影响较小,并非频率越大对压裂越有利;2)裂纹长度随Biot系数增加而增长,Biot系数对压裂效果的影响显著。     

修正RHT模型在岩体爆破响应数值模拟中的应用

岩体爆破是一个极其复杂的物理过程,应用数值模型研究岩体爆破响应的关键在于能否准确地描述岩体在不同应力状态下的力学行为。基于应用标准RHT模型模拟岩体爆破破碎过程存在的缺陷,对RHT模型进行改进,提出了双线性拉伸软化模型,在残余强度面方程中引入罗德角因子,修正了应变率增强因子和拉-压子午比的计算公式。将修正后的RHT模型植入SHALE程序中,并通过不同应力路径下的数值试验检验了修正RHT模型性能。应用修正RHT模型和标准RHT模型分别对爆破漏斗试验进行数值模拟。计算结果表明,修正RHT模型在自由面处形成的爆破漏斗半径更接近于现场试验的实测结果,验证了修正RHT模型的合理性和准确性,说明该模型在岩体爆破响应数值模拟中具有一定的参考价值。     

锚固硐室在爆炸波作用下的损伤机理

以连续介质力学与损伤力学为基础,建立岩石的拉压动态损伤本构模型,并将此模型嵌入非线性有限元程序LS-dyna中,对锚固硐室抗爆的拉压损伤问题进行模拟。模拟与模型实验结果基本一致,验证了其合理性与正确性。结果表明：锚杆对抗爆加固硐室具有积极作用,锚杆改变损伤发展方向和抑制裂纹的产生,使爆炸波无法穿过密集锚杆在硐室拱部形成损伤,并提高了硐室的抗拉强度。     

束状孔爆破增强岩石损伤试验

采用小型爆破试验方法,开展不同束状孔间距、不同当量大孔间距条件下的爆破损伤试验。结果显示,单束孔或单个当量大孔爆破时,药包侧面爆破损伤范围较两端大,且损伤岩石的纵波速度较低。随离药包的距离增加,爆破损伤变量值呈指数下降,当量大孔损伤变量值较束状孔的下降更快。在爆破近区(x<5.56D₀),当量大孔损伤变量值较束状孔的高。在爆破中远区(x>5.56D₀),束状孔损伤变量值较当量大孔的高。束状孔组与当量大孔组爆破时,组间距增加,组间岩石的损伤变量值下降。相同间距条件下,束状孔间岩石的爆破损伤变量值大于或等于当量大孔损伤变量值。束状孔/当量大孔间距1.5 m(16.67D₀)、2.0 m(22.22D₀)时,在组间的爆破叠加破坏作用较单孔损伤变量值增加30%～40%。     

填塞长度对单孔爆破轴向损伤分布影响研究

为研究在爆破过程中填塞长度对圆柱岩样爆破效果的影响,通过数值模拟方法建立了分区域圆柱岩样单孔装药的三维模型。通过改变填塞长度,对爆破过程中填塞物及圆柱岩样的损伤情况、位移变化和裂纹扩展进行了对比分析。结果表明：模拟结果与圆柱岩样实验室爆破裂纹扩展与损伤情况相一致,验证爆破模型可有效模拟岩石爆破过程。在填塞长度为炮孔长度的23.7%内,填塞长度的增加可显著抑制填塞物冲出炮孔程度,而超过此区间后,单位抑制效应微弱。填塞长度从炮孔长度的7.9%到39.5%,岩柱表面裂纹网络复杂程度逐渐降低,但裂隙宽度显著增加。在炸药引爆后岩柱中部区域的损伤值最高,在填塞长度为炮孔长度的23.7%时取得最高值为0.75。在岩柱上部区域,损伤随填塞长度呈现凹形变化,差值在0.0543;而五种填塞长度在岩柱中部区域的损伤差值最大,为0.0679;对岩柱下部区域的损伤影响较小,变动幅度为0.0099。填塞长度的合理选取为实现精确区域爆破和提高爆破效果提供了新的途径。     

偏心不耦合装药爆破对岩石损伤的试验研究

针对张坝沟石灰石矿露天边坡倾斜孔光面爆破,在爆孔旁侧钻眼测试声波以测试岩石的损伤程度,结果表明爆破影响达1.5m左右。文中还通过水泥砂浆模型实验得出了孔壁应力、应变和压力分布,结果表明炸药紧贴孔壁的压力远大于其余方向的压力,为改变装药结构提供依据。     

爆破震动影响下软岩巷道变形破坏特征研究

针对爆破震动对软岩巷道的稳定性产生影响的问题,对爆破震动条件下巷道变形破坏规律进行了研究。以矿山岩石力学理论为指导,对巷道稳定性受爆破震动影响的力学机理进行了理论分析。采用现场试验和三维数值模拟实验方法进行了实验研究,获得了爆破震动条件下软岩巷道的稳定性特征。研究结果表明当受到爆破震动影响时,巷道围岩内的塑形区将显著增大,从而加剧了巷道的变形破坏。