基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节，数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法（continuum-discontinuum element method，CDEM）对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟，通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算，通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述，通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟，计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致，证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象，建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型，模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程；计算结果表明，除后缘拉裂槽外，数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致，证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛，其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型，分析了静态应力分布及动态应力演化特征，揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正，并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外，在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征，结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素，当初始应力较大时，合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果，实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

用灰关联分析方法确定影响岩体爆破质量的主要因素

用灰关联分析方法确定影响岩体爆破质量的主要因素。在简介灰关联分析原理及其计算方法后,通过实例计算与分析,得到各影响因素的主次关系。并且发现:节理裂隙岩体中的爆破块度指标主要受爆区内节理裂隙分布特征的控制;其次,也与均质岩体中的爆破一样,影响块度分布的主要因素是炮孔间距、排距和最小抵抗线等。     

论岩体软弱结构面对应力波传播的影响

本文引入岩体软弱结构面上的边界条件,给出应力波斜入射到能滑移、有摩擦的软弱结构面时,波势、应力和能流的透反射关系和一些计算结果。在此基础上,提出了判断岩体是否沿结构面产生相对滑移的准则,给出计算结构面能量耗损的关系式和一些计算结果,并就与工程爆破有关的一些问题进行了讨论。     

台阶爆破破碎度的分布规律

本文采用摄影方法在海州露天煤矿对台阶爆破破碎块度进行了测量。根据现场试验所获得的数据,通过多元曲线拟合处理,给出了二种岩石爆破破碎块度的分布规律。所得结论对控制和提高爆破破碎质量具有重要意义。     

围岩应力重分布对隧洞爆生裂隙区比例半径的影响

基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机理的研究,采用莫尔库伦准则及最大拉应力准则,研究了围岩应力重分布对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,围岩应力重分布对爆生裂隙区比例半径有重要影响,隧洞围岩应力重分布将减小隧洞径向爆生裂隙区比例半径,压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径可降低20％以上,拉伸破坏模式下可降低10％以上。爆炸应力波作用下,岩体更容易沿结构弱面发生压剪破坏。利用围岩的应力重分布作用,可以降低爆破对保留岩体的损伤作用。     

弹性波法在岩土爆破工程中的应用

本文概述了作者多年来将弹性波法应用于岩土爆破工程的工作实践。主要介绍试验方法和根据围岩不同的声学特性,选用的不同计算方法,计算围岩的动弹性常数和实例以及围岩加固处理效果的检测办法。给出了围岩的波阻抗分类和应力波参量衰减指数与岩体波阻抗的依赖关系;给出了岩体和坑道破坏分区的定量判据爆前爆后围岩纵波波速变化白分比。实践证明:弹性波法对岩土爆破工程的爆破效应和破坏机理的研究是一种很重要的、快速、简便、准确的手段,直接影响到岩土爆破的安全和经济效益,有广阔的应用前景！     

突出煤层深孔控制爆破时控制孔的作用

为进行煤层深孔爆破应力传播和有关控制孔作用的研究,以松藻煤电公司实际采用的爆破、炸药和煤层参数为基础,利用三维数值模拟方法,建立煤层长柱状药包爆破数值计算模型。分析了松软煤介质深孔爆破在有控制孔时应力波传播的特点和因爆破作用的抽放影响区域。研究表明:在距爆破孔10 m范围内,有控制孔的孔壁平均有效应力较没有控制孔相同条件下高48%~66%.并随着与爆破孔距离的增加,尽管煤体所受有效应力衰减,但有控制孔的平均有效应力值较无控制孔的比率增大。上述研究结果与现场爆破前后实际取得的瓦斯抽放数据相比基本吻合,证明了爆破前预先设置控制孔的必要性。     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。     

可储能原则在一类岩爆问题中的研究和应用

从能量的角度对一类岩爆问题--应变型岩爆进行一些探讨.对此类岩爆能量的来源、能量的去处及能量释放的原因和大小进行了完整的论述.提出了岩体的可储能原则--岩体可存储的能量并非定值,而是随应力状态的变化而改变,当应力发生突变,岩体内实际存储的能量大于可储能时,多余的能量必将以各种形式瞬间释放,其中包括动能.根据此准则对简化了的一维、三维模型进行了详细的分析和计算,并结合离散元软件3DEC再现了三维卸载岩爆的破坏过程.     

应变波对岩体的损伤作用和爆生裂纹传播

给出了应变波作用下岩体损伤累积计算方法，将爆破过程中应变波的动作用和爆生气体的准静压作用结合起来，分析爆生裂纹传播的全过程，修正了以往理论，井揭示了Ｋｕｔ－ｔｅｒ等人所说的应力波对岩体预载荷作用￣［１］的力学本质。     

室爆破法采石级配预测

引入岩体裂隙分布的统计理论，探讨了爆堆岩块的分形特性，从统计岩体力学及爆炸分形的角度建立爆炸过程并对硐室爆破进行级配分析，级配预测结果和实际工程吻合较好。     

室爆破法采石级配预测

引入岩体裂隙分布的统计理论，探讨了爆堆岩块的分形特性，从统计岩体力学及爆炸分形的角度建立爆炸过程并对硐室爆破进行级配分析，级配预测结果和实际工程吻合较好。     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

煤层深孔预裂爆破耦合装药系数对爆生应力波能量的影响研究

针对煤层深孔预裂爆破爆生应力波能量弱、信噪比低的现状,为了给爆孔的装药结构提出合理的改进方案,本文建立了耦合和不耦合装药情况下爆孔孔壁爆炸载荷和透射波能量的计算模型,并利用Matlab软件获得了解析解。同时在淮南矿业集团潘三矿进行了耦合装药系数ξ对爆生应力波能量影响的现场实验,利用改进的基于功率谱的能量分析法对现场实验数据进行分析。理论数值计算及现场实验均表明:应力波总能量随ξ增大而减小;当ξ=1.5时,应力波信号在10~50Hz区间的低频能量最强,信噪比最高,增透效果最佳。     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

节理岩体的爆破松动机理

利用应力波理论对节理岩体的爆破松动机理进行了探讨,同时利用动力有限元数值模拟方法验证了理论分析结果。研究表明,爆破荷载的加载阶段对岩体的挤压蓄能和快速卸载阶段的弹性回复是岩体产生后续松动位移的根本原因;节理岩体的爆破松动在开挖面的法向表现为岩体的剪切错动,在平行于开挖面方向表现为结构面的张开;拉格朗日坐标下的动力有限元数值方法,如ANSYS/LS-DYNA程序,能够较好地用来模拟节理岩体的爆破松动过程。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。     

基于实测爆破振动计算岩体介质P波品质因子

爆破地震波传播衰减研究对爆破振动预测及安全控制有着重要的指导意义。针对爆破振动实测信号，结合P波、S波的初至识别结果，计算P波、S波在岩体中的传播速度及P波的上升时间，进一步得出岩体介质P波品质因子。结合现场实测振动数据，计算丰宁抽水蓄能电站及舟山绿色石化基地试验区域内岩体介质P波品质因子，计算结果分别为19.02和14.07。结果表明，通过实测地表爆破振动计算得到的P波品质因子远小于经验公式的计算值及一般原岩的品质因子，说明地表疏松层对爆破地震波的传播衰减有较大影响。