立井大直径中空孔直眼掏槽爆炸应力场数值模拟分析与应用

 为提高立井井筒坚硬岩石段掘进施工的爆破效率,设计在两阶同深桶形直眼掏槽中心布置一个直径100 mm的空孔。根据理论计算和工程实践经验选定掏槽爆破参数,一阶掏槽孔圈径1 700 mm、间距850 mm,二圈掏槽孔圈径2 500 mm、间距650 mm。运用有限元软件LS-DYNA对一阶掏槽孔爆破后的爆炸应力场进行数值模拟分析和爆破参数合理性验证。模拟结果表明：增加的中心大直径空孔能够提高爆炸应力波峰值和延长作用时间,空孔周围岩体中应力波峰值为无空孔时的2.2倍。同时,数值模拟还更直观地表现直眼掏槽时爆炸应力波在空孔处的应力叠加和反射拉伸现象、以及空孔具有的导向作用。在此基础上,进行立井坚硬岩石段掘进深孔爆破现场试验研究,取得在坚固性系数f = 12～17的岩石中平均炮眼利用率达91.7%、爆破块度均匀的良好效果。     

隧洞全断面开挖中不同爆破孔作用边界及其诱发振动特性的比较分析

为探明隧洞钻爆开挖中不同炮孔诱发振动特性的差异及其原因,以隧洞全断面钻爆开挖为例,结合岩石爆破内部及外部作用,对不同炮孔爆破作用边界进行分析;通过现场单孔及生产爆破试验,综合比较掏槽孔、崩落孔及光爆孔3种典型炮孔诱发振动峰值及频谱特征;并借助数值模拟分析不同炮孔内外边界条件及其动力响应特性的差异;最后,从爆炸能量分配及塑性区发展的角度,总结归纳不同炮孔诱发振动差异的内在原因。结果表明：掏槽孔多在单个自由面条件下起爆,炮孔所受夹制作用较强,爆破外部作用减弱,转化为爆破振动能的比例增加,爆破诱发振动峰值(PPV)相对较大;掏槽孔间排距及不耦合系数较小,相比于崩落孔及光爆孔,内部作用较强,形成的塑性区面积增加,振动主频(DF)相对较低;光爆孔与崩落孔均在2个自由面条件下起爆,光爆孔不耦合系数较大,但其炮孔间距小,爆破内部作用及外部作用与崩落孔大体相当,PPV及DF分布也基本一致;实际工程中,可通过改变内外边界条件来调节爆破内部作用及外部作用,进而达到振动安全控制的目的。     

地应力作用下不同掏槽孔角度爆破效果分析

为探究地应力作用下掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响，以贵阳市轨道交通S1线一期工程为背景，设置了多种地应力工况及不同掏槽孔角度，通过数值模拟方法对掏槽孔爆破过程进行模拟，分析了地应力及角度对掏槽爆破的影响。结果表明：地应力为抑制岩体破碎及槽腔成形，在水平应力不变前提下，垂直应力越大，抑制效果越显著；掏槽孔角度增加会扩大掏槽孔损伤面积，但角度过大会导致垂直炮孔的应力过小而影响爆破效果，当掏槽孔角度为60°时爆破效果最好。     

楔形掏槽爆破效果分析及其在硬岩巷道中的应用

为加快岩巷钻爆法快速掘进技术研究,利用LS-DYNA模拟软件对直眼掏槽和楔形掏槽爆破应力波传播及岩体损伤破坏进行对比分析,并在霍州煤电三交河煤矿下组煤胶轮车辅助运输巷进行现场应用。结果表明：楔形掏槽爆破因其槽底间距较近,可以使爆破能量更多消耗在两炮孔之间,而直眼掏槽爆破能量在两帮过度消耗;与直眼掏槽相比,楔形掏槽能够造成两炮孔之间的岩体大范围损伤破坏,有利于岩块破碎抛出;现场应用表明：采用楔形爆破后,炮孔利用率高、大块率低、循环进尺达到2.5 m以上,显著提高成巷速度。因此建议在硬岩巷道爆破掘进时优先考虑楔形掏槽方式。     

泥岩砂岩互层隧道光面爆破围岩损伤试验研究

为了减少掘进爆破对会排山隧道围岩的损伤范围,改善爆破的成型效果,减少超欠挖现象,确定掘进爆破参数。采用声波探测的试法,针对隧道泥岩砂岩互层围岩的试验段共进行了5次试验,每次试验采用不同的周边孔爆破参数。根据试验结果确定了不同爆破参数作用下围岩的损伤范围,通过分析爆破参数与围岩损伤范围间的关系可以得到以下主要结论:泥岩砂岩互层的隧道围岩均匀性较差,隧道周边孔爆破会造成围岩的损伤,损伤范围与周边孔的爆破参数有关,当周边孔布置参数相同时,围岩损伤范围随单孔装药量的增加而变大。孔距和单孔装药量相同的情况下,损伤范围随光爆层厚度的增加而变大;确定泥岩砂岩互层隧道周边孔爆破参数时,应采用较低的单孔装药量,较小的周边孔间距和光爆层厚度。     

考虑地应力与先爆孔损伤的光面爆破数值模拟

为了研究先爆孔损伤与地应力对不同埋深条件下岩石光面爆破损伤演化规律的影响,首先采用二维数值模拟确定了RHT模型适用于光面爆破的损伤阈值为0.5,然后建立三维模型,采用ANSYS-DYNA隐式-显式序列求解法对模型施加地应力,通过等效刚度折减模拟先爆孔损伤,探究了岩石损伤在空间中的分布规律。结果表明：地应力的存在对深部岩石的爆破损伤有抑制作用,且这种抑制作用会随埋深的增加而愈发明显;先爆孔爆破对岩石造成的损伤对后续光爆孔破岩有促进作用;不同埋深下进行光爆作业时最佳光爆层厚度及光爆孔间距均不一样,当同时考虑先爆孔损伤与地应力影响时,埋深较小时二者取值可适当增加,埋深较大时二者取值应随埋深的增加而相应减小。     

坚硬岩石一次爆破成井掏槽方式的数值模拟研究

对坚硬岩石条件下深孔一次爆破成井的九孔、双孔菱形、单螺旋和双螺旋4种掏槽方式,在炸药爆炸荷载作用下的应力产生和传播机理进行了计算机数值模拟。模拟采用LS-DYNA三维非线性动力有限元程序,结果得到了4种掏槽方式的节点最大应力产生的时间、空孔周边应力产生的时间、有效应力作用的时间、节点最大运动速度以及掏槽孔应力全部贯穿的时间等相关参数的定量计算值。通过对计算结果的综合优化研究,选择了单螺旋掏槽方式优化模型。该研究成果,已在现场应用中得到了验证。试验结果表明,该方法解决了制约一次爆破成井相关爆破参量难以确定和爆破效果难以预料等技术上的瓶颈问题,并为其在地下建筑工程领域中推广应用提供了科学合理的理论指导依据,具有广阔的推广应用前景。     

基于损伤理论的硬岩隧道爆破开挖参数研究

为解决鲍村隧道爆破施工过程中可能存在的爆破效率低或材料浪费等问题,利用ANSYS/LS-DYNA分析了径向不耦合系数及炮孔间距对凝灰岩爆破效果的影响,进一步分析了周边眼爆破后的效果.结果表明,凝灰岩在空气介质下爆破裂纹扩展较多,适宜地增加不耦合系数能降低周围岩体的损伤;周边眼炮孔间距越近,炮孔中心连线的岩石受到的最大主...     

中深孔双螺旋掏槽爆破的破碎机理与设计应用

分析研究了中深孔双螺旋掏槽形式在爆炸冲击波或应力波的作用下，掏槽炮孔爆源附近岩体破碎、破裂的过程及空孔在掏槽爆破中的作用效果。在此基础上提出了中深孔掏槽爆破设计的理论依据，具体给出双螺旋掏槽爆破的设计参数。这种掏槽在三峡工程茅坪溪泄水洞大断面开挖掘进中得到应用     

岩巷掘进准直眼掏槽爆破新技术应用实例分析

 为了提高岩巷掘进速度,克服直眼掏槽和斜眼掏槽的不足,根据岩石爆破理论,提出一种新的掏槽方法--准直眼掏槽方式。该掏槽方式突破传统掏槽设计,主掏槽眼稍微倾斜(准直眼),槽底炮孔间距较大,次掏槽眼垂直于自由面。与现有掏槽方式相比,该掏槽方式具有以下特点：准直眼孔底间距大,可杜绝穿孔现象;采用合理间隔时间进行分层分次爆破;中心辅助直眼与两侧对称的准直眼互相配合,结合直眼掏槽和斜眼掏槽各自的优点;形式简单,易操作;槽腔大,效率高,成本低。基于爆生气体的准静态理论和岩石力学的极限平衡理论,分析准直眼掏槽槽腔形成过程。为了优化准直眼掏槽参数,进行大量的现场掏槽试验,从而确定不同爆破条件下的准直眼掏槽炮孔的布置方式、深度、倾斜角度、间距、装药量和微差起爆间隔时间等技术参数。施工中采取以长度定角度的方法可满足该掏槽方式对准直眼角度的严格要求。实践表明,在煤矿岩巷掘进中使用准直眼掏槽方式,能够取得良好的爆破效果和显著的技术经济效益。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算

 结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测,研究推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围,声波监测结果表明,在推进式的多次爆炸荷载作用下,围岩将产生一定程度和范围的损伤;侧壁围岩的累计损伤范围主要由与其齐平的导洞I的开挖掌子面爆破决定;其损伤范围随着导洞I开挖掌子面的接近而逐渐增大,当两者齐平时围岩的损失范围达到最大;但当导洞I开挖掌子面逐渐远离和导洞III爆破开挖通过时,围岩的损伤范围并没有扩大,仅导致损伤围岩的损伤程度增大。基于此,在模拟推进式往复爆破荷载作用下围岩的损伤范围时,用与监测断面齐平的单次爆破近似表示推进式的多次爆破,通过DYNA软件将此决定围岩损伤范围的振动速度转化为爆炸压力,再将爆炸压力传递给用UDEC软件实现的各向异性岩体损伤模型,通过与声波监测结果对比,此方法可以较好地模拟推进式往复爆炸荷载作用下围岩的累积损伤范围,并可为类似工作提供参考和借鉴。     

爆破施工下小净距隧道围岩稳定性分析

针对辽宁地区某公路隧道的地质情况和施工条件,重点讨论了小净距隧道爆破过程对施工中围岩应力、位移和间距的影响。提出采用有限元法研究小净距隧道爆破施工过程中每步开挖围岩的应力应变状况,以此优化设计方案。爆破荷载以均布压力荷载的形式垂直于洞壁方向作用在隧道洞壁上。结合本隧道台阶法开挖过程提取8个关键点应力应变值。模拟结果显示,开挖前期拱腰受力明显,此后边墙底部应力增长迅速,两洞的内侧边墙应力都普遍大于外侧边墙应力,而应变矢量和最大处主要集中在洞顶。中岩柱左侧的应力应变始终大于右侧说明开挖过程对先行洞侧的中岩柱扰动影响最大,同时左洞中台阶开挖完毕后中岩柱两侧位移差逐渐增大说明中岩柱有膨胀破环的趋势。     

基于HHT分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应

为确保隧道在循环爆破荷载作用下的使用寿命和稳定性能,提出了基于爆破振动信号分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应的新方法。依据监测试验获取的振速时程曲线,采用HHT理论将其变换为瞬时能量谱,对比爆破振动信号波形面积方法,针对质点振动能量分析隧道围岩结构物理力学性质的强弱效应,同时应用LS-DYNA数值软件的重启动命令,通过相同节点2次爆破X方向振速时程曲线验证新方法的准确性。研究结果表明:隧道DK497+286、DK497+291、DK497+296里程点3个方向振动能量均呈现下降变化趋势,说明爆破振动累积荷载对隧道监测点处围岩结构产生了破坏作用,并且垂直方向受爆破累积损伤最为严重,因此,需要根据围岩等级和在围岩等级改变处50 m范围内增加支护强度,保证隧道围岩结构安全。     

悬索桥锚碇隧道爆破开挖的围岩累积振动效应研究

 结合矮寨悬索桥锚碇隧道的爆破施工,通过围岩的声波测试得到围岩损伤度和松动圈范围在不同等级的爆破冲击荷载作用下的发育规律,探讨围岩累积损伤程度和振动速度之间的对应关系,以及引起岩体损伤度累计效应的阈值,较为完整地描述了爆破冲击荷载作用下围岩损伤度和松动圈的发展过程。在此基础上得出合理的爆破振动速度的控制指标。结果表明：锚碇隧道的爆破施工不但要控制单次爆破对围岩的扰动,更重要的是,应考虑围岩在频繁的近距离爆破作用下产生的累计振动效应并加以控制。爆破振动速度控制在3～6 cm/s时,最大围岩松动圈厚度约为2.3 m,围岩平均损伤度约为0.15。当测点处围岩的振动速度小于2 cm/s时,围岩的损伤度积累不明显,可视为爆破振动累积损伤阈值。     

核电站核岛基础爆破开挖减震控制

核电站基础爆破开挖时,必须控制爆破振动效应,确保预留基岩及附近建筑物和构筑物的安全。以一在建核电站基础爆破施工及振动控制为基础,介绍了爆破振动监测过程和减振方法。现场爆破实验结果表明,采用布设减振孔的方法可以减小爆破振动效应。振动效应随减振孔孔径增大而减小,随孔距增大而增大,并且孔距对减振效果的影响要大于孔径的影响,施工中应优先选择减小减振孔孔距的方法。     

不同开挖方式下岩石高边坡损伤演化过程比较

 不同岩石高边坡开挖方式对保留岩体的损伤范围有重要影响。基于LS-DYNA二次开发的累积损伤仿真技术,对光面爆破和预裂爆破2种不同爆破方式下的开挖损伤全过程进行数值仿真。计算结果表明,光面爆破开挖方式下爆破损伤具有明显的累积特征,其中,主爆孔产生的累积损伤最严重,光面爆破次之,缓冲爆破最小。预裂开挖方案中,保留岩体几乎仅受到预裂孔的损伤作用,但预裂孔本身的损伤大于光爆孔。对比2种开挖方式下最终保留岩体的损伤分布特征：光面爆破开挖方式下,保留岩体中沿轮廓面分布较小范围的高程度损伤区以及中下部分布较大范围中等程度损伤区;预裂开挖方式下,保留岩体仅存在范围相对较大的沿轮廓面分布的高程度损伤区。     

周边爆破造成围岩损伤的试验研究

降低爆破对围岩的损伤十分必要，利用试验方法寻求周边爆破参数对围岩爆破损伤的影响规律是促进这一问题解决的有效方法。据此，介绍周边爆破造成围岩损伤研究的模型试验技术与测量方法，并对不同周边爆破参数条件下取得的试验结果进行分析，进而获得周边爆破参数影响围岩中爆破损伤分布的基本规律。研究结果对爆破工程实践、爆破参数优化和深入的周边爆破理论研究具有一定指导意义和参考价值。