地应力作用下四孔掏槽爆破破岩机理数值模拟研究

为研究地应力作用下岩石爆破破岩机理,基于RHT本构建立岩石四孔掏槽爆破模型,对不同地应力条件下掏槽爆破岩石损伤裂纹的演化规律和炮孔周围应力场动态变化过程进行数值模拟研究。结果表明：地应力抑制了掏槽爆破损伤裂纹的扩展,随着地应力的增大,掏槽损伤区域减小,切向拉应力峰值降低;侧压系数的变化体现了爆破损伤裂纹扩展的各向异性,损伤裂纹扩展趋向最大地应力方向;设置空孔能够对爆炸应力波产生导向作用,促进炮孔间损伤裂纹的贯穿和发育,改善掏槽爆破破岩效果。     

基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明：用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值?H与损伤占比D_p作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式D_p=6.54-0.12?H;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。     

CO_2气爆含控制孔煤层裂隙演化颗粒流模拟

CO_2深孔预裂爆破是实现低透煤层瓦斯抽采的重要煤层增透技术手段。为更加准确地分析CO_2气爆作用下煤层裂隙演化规律,解决CO_2爆破过程存在非连续、大变形的问题,基于颗粒流方法(PFC)建立细观数值模型。通过将CO_2气爆应力波等效为半球面谐振波,分析CO_2气爆作用下煤层颗粒速度场;以颗粒膨胀加载法和动边界条件处理法,应用PFC2D构建二维数值模拟模型,分析CO_2气爆含控制孔煤层裂隙演化规律。结果表明:CO_2爆破应力波入射过程中,钻孔边界发生明显的动力效应,自孔周呈现推进式破坏区;煤层埋深增加,起裂压力增大,主裂纹形成后裂隙扩展范围增大;设置控制孔能有效加速裂隙发育,裂隙扩展深度和影响范围均有显著增加。该模拟可以解释爆破应力波的传播规律和描述煤岩体的动力破坏过程。     

高应力低渗透煤层预裂爆破过程中控制孔作用

在深孔控制预裂爆破增加煤体透气性过程中,控制孔所起的导向致裂作用受地应力的影响程度通过理论分析相对复杂。针对这一情况,采用数值计算方法模拟爆炸波与爆生气体在煤体内的传播致裂过程和控制孔临空面的反射叠加导向致裂过程,研究高、低地应力情况下控制孔的导向致裂增透作用。结果表明:高地应力煤层深孔预裂控制爆破时,控制孔主要起到卸压孔和抽放孔的作用,其导向致裂效应不如低地应力情况下的显著;控制孔尺寸越大,煤体爆破后控制孔周围煤体裂隙区范围越大;深孔爆破增透技术在高应力低透煤层的增透防突中仍可获得较好的增透效果。     

大断面隧道楔形掏槽孔布设优化研究与应用

为探明楔形掏槽孔倾斜角度对大断面隧道爆破效果的影响规律,以铜安高速巴岳山隧道为工程背景,结合楔形掏槽爆破破岩理论,借助力学实验获取岩体参数,建立不同倾斜角度的楔形掏模型,从应力波传播、围岩动态损伤和槽腔演化角度三个方面分析楔形掏槽孔倾斜角度对爆破效果的影响规律,提出Ⅲ围岩的最佳楔形掏槽孔布设角度。结果表明：60°布孔方式有效应力最大;70°布孔方式围岩损伤区域略大约60°,但60°布孔方式孔底围岩损伤区域最为平整;60°布孔方式的槽腔体积最大,水平方向最大尺寸约为2.18m,垂直方向约为1.68m;现场试验炮孔平均利用率为86.74%,炸药单耗量降低了0.02kg/m3。综上所述,Ⅲ级围岩掏槽孔的最优布设角度为60°。     

多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征

为研究多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征,建立考虑扰动效应的时效损伤本构模型.二次开发扰动效应的时效损伤本构模型,并建立数值模型验证了开发程序的正确性.将本构模型应用于深部巷道多次爆破开挖的数值模拟中,研究围岩累积损伤演化特征与破裂特征.结果表明：地应力对巷道围岩爆破累积损伤有抑制作用,地应力越大,抑制作用越明显;围岩的损伤程度随爆破扰动次数的增加呈现非线性累积特征,围岩损伤范围也随着爆破荷载作用次数的增加而扩大;巷道围岩近区在多次爆破荷载作用下损伤严重,巷道围岩表层出现破裂现象.     

特大断面隧道倒T型掏槽爆破研究与应用

提出特大断面隧道倒T型掏槽爆破方法,并分析了该方法的爆破原理.以龙南隧道为工程背景,利用数值模拟对比分析了现场单楔形掏槽爆破方法与倒T型掏槽爆破方法的爆破效果,并将倒T型掏槽爆破方法运用到工程实践.研究结果表明:在掏槽爆破作用下,距炮孔底部1/4位置处爆破形成的破碎范围最大,当掏槽孔爆破时该位置受爆破作用影响最大;倒T型掏槽爆破成腔体积大于单楔形掏槽爆破成腔体积.除自由面附近的单元外,倒T型掏槽爆破作用下单元有效应力约为单楔形掏槽方式爆破作用下同一位置单元有效应力的4倍.在自由面附近,两种掏槽方式爆破产生的有效应力接近.现场试验炮孔利用率平均为90.2%,炸药单耗由试验前的0.78 kg/m~3降低到0.75 kg/m~3,光面爆破效果提高,加快了现场施工进度,节约了施工成本.     

围压下空孔直径对直眼掏槽爆破振动的影响

为研究围压条件下直眼掏槽爆破振动在不同空孔直径下的变化规律,利用自主设计的大型双榀组合式加载框架及电液伺服加载系统,对边长为600 mm、砂胶比为2∶1的立方体水泥砂浆试块进行双轴等围压加载掏槽爆破模型试验,并通过数值模拟分析进行对比研究。结果表明：施加围压产生初始应力对爆破振动的影响表现为速度时程曲线上的不同步性;掏槽爆破引起的质点振动合速度峰值随着空孔直径的增加呈现先增大后减小的趋势;空孔直径采用1倍和2倍炮孔直径时,低频带能量占比减少,爆破振动信号频带能量有向中高频移动的趋势,可以有效降低直眼掏槽爆破振动效应。     

单楔形掏槽爆破腔体时空演化及应用

为改善矿山巷道掘进掏槽爆破现状,采用AUTO CAD与ANSYS联合建模技术构建垂直单楔形掏槽爆破数值模型,运用显式动力分析软件LS-DYNA定义岩石单元失效获得掏槽腔体扩展演化过程。通过多方位剖视掏槽腔体,从时空演化角度研究垂直单楔形掏槽在铜坑矿阶段运输巷道掘进工程中的适用性。研究结果表明:AUTO CAD与ANSYS联合建模技术可克服ANSYS对于复杂模型构建的缺点,实现巷道掏槽精细化数字建模;定义岩石单元失效使得掏槽腔体演化过程更直观,整体上形成双向主次的喇叭状掏槽腔体结构,腔体空间上X和Y向呈三角形分布,Z向不同段表现出不同的形态;应力波叠加作用对孔底附近掏槽腔体形状影响显著,靠近掌子面附近腔体形态主要受炮孔空间布置方式影响,为提高爆破的效果,辅助爆破可以适当倾斜布置;垂直单楔形掏槽体积比直孔桶形掏槽体积明显增大,其有效掘进进尺2 m,效率比达91%;辅助孔与掏槽孔起爆时间应控制在毫秒级范围内。     

灰岩岸坡危岩体链式演化特征分析——以三峡库区羊叉河岸坡为例

【目的】以三峡库区羊叉河岸坡为例,分析灰岩岸坡危岩体链式演化特征。【方法】利用FLAC3D数值软件构建该处危岩体模型,对它的应力场进行分析。【结果】从危岩体岩腔的形成到最终形成临界岩腔的过程中,岩腔临空面的大主应力呈现拉应力状态,小主应力则处在压、拉应力转换的临界状态;危岩体的宏观链具有嵌套发育特征,始终表现为拉裂或者拉剪受力状态,并通过微观链的扩展,发育,贯通,最终出现失稳断裂。【结论】通过对危岩体受力过程进行数值模拟可知模拟结果与实际的链式发育情况相吻合,研究成果从危岩体发育角度探索岸坡地貌演化过程,对岸坡危岩体防治有积极指导意义。     

9孔桶形掏槽一次成井技术

 为解决一次成井中天井断面小、深度低的问题,提出9孔桶形掏槽一次成井技术。通过对掏槽爆破机理研究,选取了4空孔掏槽方式,装药孔与空孔直径分别为0.11、0.25m,掏槽孔与空孔间距0.46m等爆破成井主要参数。采用非线性动力分析软件LS-DYNA对9孔桶形掏槽一次成井的关键—掏槽过程进行了数值模拟,实现了9孔桶形掏槽槽腔成形过程的可视化。模拟结果表明,成井参数选取合理,主掏槽孔能与空孔有效贯透形成“莲花形”槽腔,副掏槽孔能以“莲花形”槽腔为自由面进一步扩大槽腔。最后在理论分析和数值模拟基础上,以某露天矿为工程实例,对所取参数进行现场实验,一次爆破形成了23.4m天井,天井断面4m×4m,证明数值模拟结果准确,该技术在深孔一次成井中可行。     

循环爆破累积损伤诱发似层状铝土矿采空区群失稳机制

为了研究循环爆破累计损伤作用下似层状铝土矿采空区群的失稳机制,借鉴结构力学理论方法,构建铝土矿采空区群结构模型,建立采空区群位移函数,引入爆破应力波作用损伤因子Dn,表征爆破荷载对岩体的损伤作用,利用数值模拟和现场监测数据验证计算结果的可靠性.研究结果表明:当相邻采场爆源与采空区之间的距离和炸药当量一定时,采空区间柱的...     

非对称应力作用下干热岩水力压裂裂缝扩展机理研究

为了研究非对称应力作用下干热岩双井筒模型的水力压裂裂缝扩展机理,建立了描述岩体细观结构的热流固耦合损伤模型,然后使用有限元方法开展了数值模拟研究.研究结果表明：当最大地应力方向垂直于双井筒连线方向且基岩温度较低时,裂缝首先沿着最大地应力方向发展,随着基岩温度的升高,岩体损伤区域的面积随之增大,产生的裂缝网络范围也随之增大,且裂缝在两个井筒的缝网交汇处更容易扩展.当最大地应力方向平行于双井筒连线方向且注水压力较低时,裂缝同样首先沿着最大地应力方向发展,随着注水压力的增大,裂缝在双井筒内侧交汇,内侧交汇区的裂缝扩展范围明显大于双井筒外侧.     

双孔同时起爆柱状药包爆破岩体损伤效应研究

为了研究双孔同时起爆柱状药包岩体的损伤效应,通过使用PFC软件构建离散元数值模型,基于球状药包和柱状药包爆破破坏过程的理论分析与计算,研究了双孔柱状药包岩石爆破损伤特性。研究结果表明：炸药爆炸应力波在自由面的俯视平面上的传播过程接近圆形扩散,药柱上端岩体在径向压缩波的作用下发生断裂破碎,自由面处形成鼓包并逐渐从原岩开始剥离;柱状药包的爆破漏斗形成过程与球状药包类似,包括爆炸应力波的破岩过程、爆生气体驱裂过程和碎岩在爆生气体作用下抛掷运动过程;双孔同时起爆应力波存在“干涉效应”,且爆破损伤区域呈“蝴蝶”状分布。     

水压力作用下岩石中Ⅰ和Ⅱ型裂纹断裂准则

为了研究裂隙岩体在水作用下的损伤断裂机制,考虑水产生的垂直裂纹面的静水压力和平行裂纹面的拖拽力,分析处于压剪和拉剪状态的单裂纹应力状态,推导出水作用下裂纹的应力强度因子.还定义基于断裂韧度的损伤变量,并将损伤变量引入Dugdale裂纹模型,推导出水损伤作用下压剪和拉剪应力状态下裂纹的应力强度因子.基于压剪条件下的断裂准则和最大周向应力理论,推导出压剪和拉剪应力状态下,考虑水损伤作用的裂隙岩体断裂准则.     

大型地下洞室开挖爆破破坏影响范围

大型地下洞室爆破开挖通常需要考虑岩体完整程度的影响。以位于四川和云南交界的金沙江上的溪洛渡水电站特大断面地下主厂房浅孔台阶开挖爆破工程为研究背景,提出考虑初始损伤影响的岩石爆破损伤模型以及和初始损伤相关且可用于确定爆破破坏影响范围的判据。建立初始损伤和岩体完整性指数之间的关系式,使得提出的本构模型能考虑岩体完整程度的影响。通过编程将提出的本构模型应用到FLAC3D软件中,进行爆破数值模拟。首先分析岩石爆破破坏影响范围特性,然后以爆破破坏最大水平半径作为爆破破坏影响范围的特征参数,分析爆破破坏最大水平半径和岩石初始损伤、单段爆破药量以及爆破质点峰值振动速度之间的关系,得到不同初始损伤条件下爆破破坏对应的临界振动速度和安全允许炸药量。最后利用现场爆破试验、钻孔声波测试和质点峰值振动速度测试的结果验证数值模拟结果的合理性。研究结果表明:对于浅孔台阶爆破,水平径向爆破破坏影响范围随孔深的减小而增加,并在顶部平面达到最大值。该破坏边缘质点的峰值振动速度可作为爆破施工监测的安全判据。岩石初始损伤越大,初始损伤对爆破破坏最大水平半径的影响越显著。数值计算结果和现场试验结果较吻合。     

水泥浆封堵深孔预裂爆破合理封堵长度

针对深孔预裂爆破装药量大,传统炮泥封堵易发生“冲孔”的问题,提出以水泥浆为封堵材料,并对其合理封堵长度进行研究。基于水泥浆性能,假设凝固后的水泥浆与岩石为同一材料,阐述水泥浆封堵炮孔的作用机理;根据Starfield迭加法的基本思想,建立柱状药包等效多个球状药包计算模型,探究球状药包应力波衰减规律,计算球状药包在自由面的迭加拉应力;基于减弱爆破漏斗理论,以迭加拉应力与岩石抗拉强度相等为原则,推导封堵长度取值公式;利用数值模拟,分析了不同封堵长度下爆破后应力波的扩散范围与岩石的破碎范围;以新巨龙煤矿2302N工作面爆破法过大落差断层为背景,进行现场试验,借助钻孔成像仪观测炮孔周边岩层破碎情况。结合理论计算、数值模拟及现场试验确定水泥浆封堵长度为2.5 m。     

地应力对岩体爆破特征影响规律分析

为研究地应力对岩体爆破的影响,本文通过颗粒流软件（PFC2D）建立计算模型,进行数值模拟,从模型内部应力变化、裂纹分布、裂纹数量和能量场多个角度来分析爆破效果。结果表明：地应力严重影响岩体的爆破效果,尤其是压碎区,地应力每增长1 MPa,峰值应力就会大约增长26 MPa;地应力会抑制裂纹发育,对岩体裂纹分布状态和裂纹数量的抑制效果在3~6 MPa时最明显;地应力每增长1 MPa,岩体内部应变能会大约增长250 kJ;摩擦能和动能的能量变化峰值会随地应力的增加而稍微增加。     

冲击荷载作用下岩石压动态和拉动态损伤模型

根据经典岩石冲击动态损伤模型和统计损伤力学理论,提出冲击荷载加载条件下的岩石压、拉统计损伤本构模型和冲击损伤判据模型。在该损伤模型中,将损伤演化关系分为体积压缩损伤和体积拉伸损伤2种。应用提出的损伤模型和经典动态拉伸损伤模型分别进行爆破损伤数值模拟,并将数值计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明:与炮孔轴向相比,炮孔径向是爆破破裂延伸的主方向;沿炮孔径向主要发生拉伸破裂,孔底下方主要发生压缩破裂;与基于经典冲击动态拉伸损伤模型的数值计算结果相比,根据损伤模型得到的爆破破裂范围特别是孔底正下方破裂深度与实测值相差不大且最接近实测值,表明所提出的损伤模型是合理的,具有实用性。     

岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟

基于PFC2D离散元软件,首先对岩石的动力落锤实验进行模拟,获取岩体的动力学细观参数.随后建立了集中药包作用下岩体的爆破模型,对不同关键点处的应力波峰值进行了监测,得到了应力波在岩体传播过程中的衰减规律并与理论值进行对比,从爆破漏斗的形成和理论应力波衰减的拟合效果来看,PFC模拟爆破有潜在的优越性,能较好的再现爆破的整个过程,因此,可以预先利用数值手段为试验方案设计提供指导;为爆破的研究工作提供经济、简便而实用的方法.