空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究

为解决含空孔直眼掏槽中炮孔间距、炮孔与空孔距离的确定问题,首先,从爆生气体膨胀做功致裂岩体和空孔效应入手,推导了爆生裂纹的长度计算公式,确定了掏槽炮孔间距a和炮孔与空孔距离L的计算公式,得到了大空孔直眼掏槽空孔处片裂区长度公式,确立了应力集中作用下空孔迎爆侧径向裂纹产生的判据;然后,以灰岩(硬岩)和泥岩(软岩)对比分析了不同设计思想下的爆破参数和掏槽效果;最后,结合工程实践验证了理论分析的可靠性。结果表明:不同设计思想下,含空孔直眼掏槽的爆破破岩机理不同,以a为主时,相邻炮孔间裂纹的贯通是形成槽腔的关键,而以L为主且考虑空孔效应时,炮孔与空孔优先贯通形成槽腔。硬、软岩中应力波(动作用)与爆生气体(静作用)对爆生裂纹长度的贡献率约为4∶1和9∶1,空孔效应导致的软岩的片裂区大于硬岩的,爆破参数设计时应重点考虑;而空孔处产生径向裂纹的临界距离均小于炮孔爆生裂纹长度与空孔半径之和,因此不会产生径向裂纹,爆破参数设计时可不予考虑。以上结果说明,不同设计思想对槽腔掏槽爆破参数和槽腔爆破效果影响较大,基于爆生气体致裂的爆生裂纹长度计算模型可为爆破参数设计提供参考。     

双空孔间距对爆破槽腔断面大小的影响

为了探究空孔间距对巷道掘进掏槽爆破效果的影响,基于大红山铜矿某巷道建立有限元数值模型,计算双大直径空孔不同布孔间距条件下的掏槽爆破成腔断面积,并对最优方案开展现场验证。研究结果表明:空孔间距d_v=15 cm时,槽腔断面积为0.1641 m2;当d_v增加到d_v=25 cm时,槽腔断面积为0.2116 m2,断面积增大28.94%;当 d_v增加到35 cm时,槽腔断面面积为0.2436 m2,断面积增大15.1%;但当d_v增大到45 cm时,槽腔面积为0.1740 m2,断面积减小17.8%;当d_v增大到55 cm时,槽腔面积为0.0951 m2,断面积减小45.3%。对成腔断面积最大的空孔间距d_v=35 cm的布孔方案进行现场试验,2号现场试验测得槽腔断面宽度、高度及断面积分别比模拟结果小4.0%、3.4%和4.98%,多次试验与模拟结果误差均在5%以内,能够为地下巷道掏槽爆破成腔体积预测的数值方法构建提供数据参考。     

钻孔爆破中炮孔堵塞效果及堵塞长度的研究

基于炮孔爆破的特点,利用爆破理论和应力波理论,分析了炮孔堵塞物的作用机理、受力情况及在炮孔中的运动过程,推导出了炮孔堵塞长度的计算公式,并在此基础上对炮孔堵塞及堵塞对爆破效果的影响进行了实验,实验结果表明了钻孔爆破中炮孔堵塞的重要性和必要性．研究结论可为爆破参数设计提供理论依据．     

密集建筑物下隧道开挖微振控制爆破方法与振动分析

为适应城市密集建筑物下隧道爆破对振动的高安全要求, 研究用普通爆破器材进行振速精确控制的爆破技术和参数确定方法。以渝中隧道为研究背景, 在开发准确延时非电雷管的基础上, 利用傅立叶函数和MATLAB软件拟合了不同药量单孔爆破振动波形, 分析了1~50 ms不同间隔下振动叠加的量化数据; 讨论了各微差间隔时间的降振效果; 在指定振速的情况下, 确定单孔药量和微差起爆时间; 实测并分析了现场使用雷管各段微差间隔特点, 据此进行针对性的爆破设计和采用逐孔掏槽爆破进行振速控制。现场应用表明:隧道爆破振速始终小于1.00 cm/s, 在此振速下避免振动叠加的最优单孔药量为1.2 kg, 爆破振速峰值位于主掏槽的第1段或第2段雷管起爆后, 且与理论分析结果吻合较好; 逐孔起爆60 ms后振速下降50%以上。研究表明:在高安全指标下, 以非电雷管实施精确控制爆破是可以实现的。     

离散元法在求解三维冲击动力学问题中的应用

提出了三维连结型离散模型,建立了可实现连结型模型(用于连续介质)-接触型模型(用于非连续介质)转化的三维离散元计算程序,用来模拟连续介质转变为非连续介质的力学过程．利用该计算程序对冲击载荷下混凝土块体内(连续体情况下)的应力波传播过程进行了数值模拟．将计算结果的数值与LS-DYNA程序计算的结果进行比较,验证了该计算程序的计算精度．在此基础上,模拟了混凝土块体的动态破坏(连续介质向非连续介质转化)过程．其计算结果可用动画显示,得到的破坏形式与由实验得到的破坏形式相近．两个算例说明该离散元模型及其计算程序是模拟计算伴随有连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具．     

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。     

自由面变化条件下隧道电子雷管爆破参数确定方法

电子雷管的技术潜力目前仍未在隧道工程中得以充分发挥,一个重要原因是没有严密理论支撑的爆破参数计算方法,药量、孔间延时等核心参数多沿用普通矿山法设计;其次是不能解决第二自由面形成后爆破参数计算准确性问题。以重庆观音桥隧道为研究背景,基于Anderson理论和电子雷管延时特性,提出隧道爆破在单自由面形成双自由面过程中,不同自由面条件下电子雷管爆破参数设计的新方法。现场获取不同药量单自由面单孔爆破振动曲线,逐一计算各孔间延时下的多孔合成振动,对比不同药量、不同延时合成振动曲线后确定单自由面爆破参数;根据电子雷管特点设计短延时掏槽爆破现场试验,获得起爆48 ms后已形成第二自由面;据此设计第二自由面形成后单孔爆破试验并计算双自由面下的合成振速、爆破参数,最终形成爆破全过程爆破参数计算方法。对计算结果进行综合分析后,现场设计主掏槽单孔药量1.2 kg,辅助掏槽单孔药量1.4 kg,孔间延时为5 ms;主掏槽与辅助掏槽间最小时差为35 ms;采用上述优化参数进行现场试验,在低振速控制的同时实现高效进尺。     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤 层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的 差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔 连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽 放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介 质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距 为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

沟槽深孔微差爆破的工程实践和数值模拟

以工程实践和动力有限元程序分析沟槽深孔微差爆破问题。探讨了沟槽内岩块的运动规律,以及深孔微差爆破的作用机理。结果表明,基于工程实践的数值模拟,能较客观地反映爆破破岩的动态过程,并为爆破设计提供理论依据。     

掏槽参数对煤矿岩巷爆破效果的影响

为了提高掘进进尺,以川煤集团绿水洞矿掘进工程为背景,利用动力有限元程序LS-DYNA3D进行掏槽参数优化研究。结合井下现场实验,分析岩巷掏槽爆破不同参数动态应力、破碎范围的变化以及井下实际爆破效果。掏槽中心孔底向孔口平均有效应力峰值在有中心眼爆破较无中心眼爆破时增加了40%以上,中心眼爆破对槽腔底部的形成起主要作用。在其他条件相同的情况下单孔载荷从1.2 kg提高到1.8 kg,掏槽区中心眼底到孔口平均应力只增加20%,并且破碎范围的增加较少,实际进尺增加小于10%。现场掘进实验表明:在常规爆破载荷下,有中心眼比无中心眼爆破深度提高31%~65%,掏槽角小于78°时,随掏槽角度增加爆破进尺下降较平缓; 但掏槽角增至82°左右, 随掏槽角度增加爆破进尺下降明显。     

近场动力学研究进展

近场动力学(Peridynamics或PD)理论基于非局部作用思想,采用空间积分描述物质内部作用,对于从连续到非连续、微观到宏观的力学行为具有统一的表述,数值上天然具有无网格属性和不连续求解功能,在分析不连续,多尺度等问题时展现出了具有优势的适用性和可靠性.本文介绍了近场动力学的发展背景;概述了其理论基础、数值实现过程和计算体系,并在此基础上探讨了近场动力学理论和数值模型的适定性,以及与传统连续介质模型和分子动力学模型进行耦合的可行性;系统分析了近场动力学方法在各个领域上的应用发展现状和趋势,包括静态、动态破坏问题,基于近场动力学的材料模型,以及新兴的疲劳问题研究和多尺度、多物理场的耦合问题;最后对近场动力学方法目前存在的局限性和将来的研究进行了探讨.     

基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

精确延时控制爆破振动的实验研究

为了探讨电子雷管在降低爆破振动和改善岩石破碎效果方面的作用机理,基于地震波传播过程中的能量变化,给出了孔间毫秒延时时间的计算公式。根据目前国内露天矿生产实际,设计并开展了模型实验。实验结果表明,合理的孔间延时控制能够降低爆破振动。在本文的模型实验中,12 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值分别是2、7和9 ms延时间隔下爆破振动瞬时能量最大值的19%、25%和36%,4和12 ms延时间隔下爆破振动速度峰值最大值是其他延时间隔下爆破振动速度峰值最大值的50%左右。提出的计算公式在实际工程中获得了良好的应用效果,同时验证了该计算公式的可行性。     

边坡预裂爆破参数优化研究

边坡工程施工中常用到预裂爆破,预裂爆破参数对爆破降震起着非常重要的作用。通过大量的预裂爆破试验,得出了适用于该边坡的炮孔直径、炮孔间距、线装药密度、不耦合系数等一系列常规预裂爆破参数。通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟,得出了与4种炮孔直径对应的理想的预裂爆破参数,且与爆破试验的结果基本一致。通过回归分析,得出了用于该边坡选取预裂爆破参数的简易公式,用以指导该工程的后续施工。实践证明,采用爆破试验与数值模拟相结合的方法,对于爆破参数的优化选择,效果明显。     

脆性材料动态破坏过程的数值模拟

根据连续介质力学基本原理和离散元法基本思想，针对脆性材料动态破坏过程问题，推导出基于圆盘单元的正交各向异性离散元二维计算模型，并利用此模型计算了各向异性薄板在冲击载荷下的应力波传播问题。通过将计算结果与LS－DYNA程序相比较，表明了本文提出的离散元模型的精确性。另外，对钢弹侵彻下滑凝土圆板破坏过程这个典型的发生连续介质向非连续介质转化的动力学问题进行了数值模拟和动画显示，并同侵彻实验中出现的几种破坏形式进行了分析和对比，从而证明了本计算方法是计算和模拟脆性材料出现从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具。     

时程稳定性系数确定的边坡逐孔起爆孔间微差降振时间

为了获得边坡逐孔爆破最佳降振微差时间,以某个实际边坡逐孔微差爆破施工现场为原型,先利用ANSYS建立二维静态模型,借助有限元折减法确定自然状态下的潜在滑动面和静态安全系数;基于已确定的二维潜在滑动面重新建立同尺寸同性质的三维逐孔微差爆破动态模型,利用LS-DYAN进行动力分析,整个过程分别设置同排3个炮孔0、17、25、42和65 ms等5种不同孔间微差起爆方式;同时,对该施工现场进行排、孔间(25 ms,17 ms)、(25 ms,25 ms)、(25 ms,42 ms)、(25 ms,65 ms)等4种微差时间控制的等比例相似小炮测振实验。提取模拟结果中3个炮孔同时起爆时滑面单元的应力数值代入极限平衡法计算公式,绘制了冲击载荷作用下边坡稳定性系数曲线,通过对曲线的理论分析发现,最佳降振微差时间约为48 ms;而三维数值模拟和测振实验结果均显示,孔间微差时间取42 ms时降振效果较佳。这说明,边坡稳定性系数曲线给出的微差时间与模拟和实验结果较为接近,可为今后边坡逐孔微差爆破降振研究提供参考。     

隧道爆破现场高速图像采集与精确控制爆破参数研究

受隧道内环境恶劣、相机防护等诸多因素制约,隧道现场爆破的高速图像采集与分析尚未实现,而这对精准控制爆破参数非常重要。以重庆某隧道为研究背景,在解决现场测试技术难题基础上,得到隧道爆破过程完整图像并同时获取爆破振动数据;据此分析了隧道爆破岩石破裂现象:炸药起爆15～18 ms后岩体移动,21 ms左右形成空洞并不断扩展后抛出;探讨了同对掏槽眼爆破协同作用时间与微差降振时间之间的矛盾,研究表明兼顾二者作用的起爆时差为8～50 ms;通过分析爆破裂隙扩展曲线特点并结合实测振动数据,确定起爆54 ms时形成第二临空面,较按过去方法确定的时间更精确,以此进行现场掏槽段位设计的降振效果良好;研究结果可为精准控制爆破提供参考。     

急倾斜薄矿脉中深孔落矿爆破参数优化

依托金厂沟梁金矿中深孔落矿工业实验,开展急倾斜薄矿脉中深孔落矿爆破参数优化研究。基于非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA开展多种方案的数值模拟,分析了不同爆破参数下窄矿脉爆破应力场分布特征和窄矿脉爆破夹制作用下爆破裂隙区域的形成过程。计算结果表明,抵抗线在0.8~1.2 m范围内,相同孔距下自由面中心位置有效应力峰值随着抵抗线增大呈现衰减趋势;孔距在0.9~1.6 m范围内,相同抵抗线应力峰值随孔距增大而增大,孔距增大的同时,上下盘围岩损失程度也随之增大。选择孔网面积作为衡量依据,随炮孔密集系数增大,有效应力增量减缓,密集系数超过1.5后,矿石损失贫化加剧。综合各方案模拟结果,1.0 m×1.4 m为最优的爆破参数。将优化结果用于现场实验,爆破后采用三维激光扫描系统进行评估,实测爆区体积为设计体积的91.8%,爆破并未导致矿体上下盘围岩垮落,爆破效果良好。     

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400 mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500 mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600 mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500 mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4 m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500 mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。