马蹄形隧道掏槽爆破三维数值模拟

文章利用ANSYS/LS-DYNA软件,采用三维数值计算方法,对马蹄形隧道掏槽爆破过程进行了动态模拟,得出一些有参考价值的结论。隧道岩石爆破时,应对危险区域进行监控,充分利用自由面对爆破效果的有利影响。     

隧道掘进爆破破岩数值模拟及应用研究

为研究隧道掘进多孔毫秒延期爆破条件下的岩体破碎和爆破振动规律,采用完全重启动数值模拟技术和拉格朗日数值算法计算隧道掘进爆破破岩过程,得到了岩体特征点的振动速度,并将数值模拟评估的爆破方案应用于工程实践,数值模拟与工程实践结果比较吻合。结果表明,联合完全重启动数值模拟技术和拉格朗日算法能够模拟隧道破岩的物理力学过程。      

爆炸应力波作用下的凿岩爆破破岩模拟

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程. 采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性. 通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析. 研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.     

垂直深孔掏槽爆破的数学模型

为研究矿井建设中难度最大的立井深孔爆破掏槽新技术,本文运用近代岩石爆破理论和应力波理论,分析了几种因素对爆破区应力场分布的影响,从而提出了一个可计算深孔分段或分阶爆破掏槽的三维应力场与破碎区的数学模型。最后通过一个国外工程实践证明,其计算结果基本符合实际,有较大的理论指导意义与实用价值。     

围岩损伤控制爆破数值模拟研究

为研究不同结构装药周边孔爆破对围岩损伤的影响规律,采用数值模拟方法开展了研究工作. 模拟结果表明,从获得良好爆破效果和降低围岩损伤的角度来看,在4种装药结构中,水+切缝管的效果最好,空气介质耦合时最差,中间依次为水介质耦合、空气+切缝管的装药结构. 因此在实际工程中,周边孔采用水+切缝管的装药结构,可适当增加炮孔间距或减小装药量,取得与其它装药结构相同的周边爆破效果,尤其对于松软破碎岩体爆破效果更加明显. 同时水的存在对于工作面的降尘和防止瓦斯爆炸等灾害事故的发生也具有一定的作用. 数值模拟结果与试验结果所得结论一致.      

不同应力条件下爆破开挖对围岩损伤效应的数值模拟研究

根据芦岭矿的工程地质资料,拟定了硬岩和软岩的典型物理力学参数,并依托芦岭矿现场爆破参数,结合ANSYS/LS-DYNA软件,通过隐式-显式连续求解,完成了不同初始应力条件下硬岩和软岩巷爆破开挖的模拟. 计算结果表明,在5~25 MPa应力水平时,随着地应力的增加,近爆腔处围岩的损伤程度并不发生变化,而远离爆腔处围岩损伤程度明显减小,地应力对爆炸载荷所造成损伤抑制作用明显;相同爆破参数下,软岩爆破较硬岩更易受地应力的作用.     

圆弧形聚能装药结构爆破破岩效果数值模拟

为了研究不同圆弧形聚能装药结构下爆破参数最佳的爆破效果,以实现现有煤矿岩巷掘进高效破岩的需求。基于非线性动力模拟软件ANSYS /LS－DYNA 建立了圆弧形聚能装药爆破几何模型,研究了炮孔直径42mm时聚能圆弧半径10mm、圆弧边缘至炮孔中心距离分别为6mm、8mm、10mm、12mm下的聚能爆破破岩效果,通过添加失效关键字得到各个工况的裂纹发展情况,对比分析了不同工况下的聚能过程和距炮孔中心聚能和非聚能方向的有效应力时程曲线;展现了聚能装药情况下的岩体损伤演化历程。研究结果表明：四个工况都出现了不同的聚能效果,对裂纹的发展起到一定的导向作用;随着聚能穴内边缘至管中心距离的增大,有效应力峰值先减小后增大,其中聚能穴内边缘至管中心距离12mm,单位装药量为10.47cm3时有效应力峰值最大;聚能穴内边缘至管中心距离12mm在距炮孔15cm处最先达到完全损伤破坏,说明聚能穴内边缘至管中心距离12mm的装药结构参数聚能效果最佳。     

爆破破岩机理的实验研究

通过实验研究了在耦合装药及药包总爆炸能（Ｅ）大致相同的情况下，冲击能（Ｅｓ）与膨胀能（Ｅｂ）之间分配比例的变化，对爆炸应力波峰值及介质破碎质量带来的影响．实验结果表明，柱状药包爆炸时，在介质中先后产生原生爆炸应力波和次生爆炸应力波，前者与Ｅｓ的作用密切相关，后者与Ｅｂ的作用直接相关；介质破碎块度分布主要取决于这两个应力波共同作用的结果．据此，作者提出了原生爆炸应力波、次生爆炸应力波与介质中存在的缺陷共同作用的爆破破岩机理．     

底部空气柱装药掏槽爆破试验及机理研究

以槽腔体积、槽腔深度和爆破块度为指标 ,对底部空气柱装药和常规装药掏槽爆破进行了模拟试验。试验结果表明 ,底部空气柱装药掏槽爆破效果优于常规装药效果。根据试验结果 ,对底部空气柱作用机理进行了初步探讨     

水压爆破的数值模拟

采用LS-DYNA有限元模拟方法建立了水压爆破模拟模型,并对水压爆破进行了数值模拟。提出了水压爆破壁体受首次冲击波、底板反射压缩波、对面壁体反射压缩波和气泡脉冲等四种荷载作用的观点,为水压爆破准静压作用的原理提供了依据。     

水压爆破的数值模拟

采用LS-DYNA有限元模拟方法建立了水压爆破模拟模型,并对水压爆破进行了数值模拟。提出了水压爆破壁体受首次冲击波、底板反射压缩波、对面壁体反射压缩波和气泡脉冲等四种荷载作用的观点,为水压爆破准静压作用的原理提供了依据。     

岩石多孔爆破振动数值模拟研究

为研究多孔爆破条件下的岩体破碎和爆破振动,采用完全重启动数值模拟方法和拉格朗日算法计算岩体爆破破碎过程,获得了岩体特征点的爆炸振动数据,对数值模拟和现场监测特征点振动速度进行对比,二者比较吻合. 研究结果表明,采用拉格朗日算法和完全重启动数值模拟方法可以较好地描述多孔岩体爆破过程中各起爆段别破碎和振动情况.     

爆破应力波中远区破岩作用分析

应用断裂与损伤力学理论，分析了爆破应力波远区破岩作用机理认为爆破应力波在远区的破坏效应是基于该区域内局部岩体强度和断裂韧度降低，使衰减后的弱应力波作用强度仍可能大于该点处的岩石极限强度所致。提出岩石损伤与缺陷的存在，会产生应力集中或放大效应的依据，并阐述爆破应力波作用下远区原生裂纹扩展的理论分析，给出了基于岩石损伤的裂纹扩展长度估算模型。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程，其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致，均显示旋转射流具有较强的破岩能力，其原因在于旋转射流的质点具有三维速度，破岩时以倾斜冲击为主，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，回流的干扰较少；破岩过程首先是形成一环形破碎带，然后沿径向和轴向发展，所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

圆形断面巷道爆破卸压机理数值模拟研究

运用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D，充分考虑岩石非均匀性等复杂的岩石力学性质，对爆生裂隙带、爆炸空腔构成的爆破卸压带维护巷道的作用机理进行模拟研究，有助于提高人们在巷道维护方法中的认识。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影
响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为
3 个区域：破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3 个阶段：钻头的中心齿压碎
岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,
当工具的工作频率为16 Hz 时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其
峰值载荷超过10 kN 之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振
荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

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.     

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律.结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力.该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

地应力测量数据的最优化数值模拟

利用地应力测量数据建立数学模型,按照不适定理论,依据HOOKE定律,采用最优化方法进行数值模拟,在电子计算机上求出最优化模拟数值．     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。