冻结立井爆破近区井壁振动信号基线漂移校正和消噪方法

冻结立井爆破过程中,近区监测信号中含有的基线漂零及噪声成分对其局部特征精细化提取影响显著。在对近区井壁振动信号有效采集基础上,通过互补总体经验模态分解（complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD）方法、稀疏化基线估计消噪（baseline estimation and de-noising with sparsity, BEADS）方法和隐马尔可夫模型消噪（hidden Markov model de-noising, HMMD）方法等,解决了信号中基线漂移和随机噪声消除难题,并采用交叉小波变换对校正和消噪效果进行了相关性评价。实例分析结果表明：信号中缓变的基线成分遍历信号各个模态分量的整个过程,且主要集中于低频分量中,而噪声则集中在高频分量。组合分析方法对低频基线漂零和高频噪声的处理效果好,是一种高效且相对保幅的信号分析方法,可用于批量信号数据的预处理过程。

     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

岩体爆破近区临界损伤质点峰值震动速度的确定

质点峰值振动速度(PPV)是爆破开挖扰动的重要指标,研究确定岩体临界损伤PPV对爆破损伤控制具有重要意义。以溪洛渡水电站640 m高程马道下边坡岩体的爆破开挖为工程背景,依据岩体跨孔声波测试结果,采用基于LS-DYNA的二次开发技术对保留岩体的损伤演化过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果研究了爆破近区PPV的分布特征及其与损伤程度的对应关系,结果表明PPV存在门槛值,当PPV大于该值时,岩体的损伤变量从零开始迅速增加至0.8左右,之后随着PPV的增大,损伤增长速度明显减慢,直至岩体完全损伤;分别基于岩体的损伤度、最大拉应力的PPV判据以及近区拉应力峰值与PPV的统计关系等3种方法确定岩体临界损伤PPV,从定量衡量损伤区范围看,常用的基于最大拉应力的PPV判据确定的临界损伤PPV偏小,而其余2种方法确定的临界损伤PPV相对精确。

     

花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究

对取自玉龙铜矿边坡的花岗斑岩进行相关物理和静力学实验,获得岩石的密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。通过花岗斑岩SHPB实验得到试样的典型冲击动载应力-应变曲线。利用相关实验结果,借助显式动力有限元软件LS-DYNA,得到花岗斑岩的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型参数,分析岩石动载强度对HJC模型参数的敏感性,总结出一套HJC模型参数的取值方法。岩石动载强度对HJC模型的A,B,N和fc参数最为敏感,该参数变化幅度在-30%~30%时,强度变化率大于11%。HJC模型参数的取值过程中,将岩石物理和力学实验数据与数值模拟进行结合,即可体现HJC模型基本理论,又可均衡实验和数值模拟的工作量,并能获得可靠的模型参数,为岩石动载数值模拟计算提供帮助。     

岩石力学与工程问题的DDA和NMM模拟研究进展

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点DDA方法,以及颗粒DDA方法的发展等;也包括对NMM开裂破坏模拟能力及双重覆盖系统的研究,无网格NMM及粒子NMM的发展等;其中还涉及单纯形积分、高阶方法、材料本构模型、显式与并行计算的研究等;此外还对接触相关问题的研究进行了专门论述。随后,对DDA与NMM在岩体边坡失稳与落石、地下岩体结构的变形与破坏、应力波传播与岩石爆破、岩体结构地震破坏与失稳及岩体锚固工程领域的代表性研究与应用工作进行了详细论述。在此基础上,凝练和论述了DDA和NMM研究与应用面临的主要问题与挑战,包括计算控制参数、计算效率、多物理场、三维方法、程序的商业化开发等,并给出了相应的对策建议。     

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。     

螺旋管聚能药包根底光面爆破机理研究及应用

针对现阶段光面爆破存在的根底不平整问题以及炸药能量利用率低的问题,提出了一种螺旋管聚能药包。为探究药包的破岩机理,采用LS-DYNA数值模拟和钻孔爆破试验相结合的方法研究了此药包的破岩机理。数值模拟结果表明,螺旋管聚能药包能形成连续金属射流侵彻炮孔孔壁,孔壁被侵彻出垂直炮孔方向的裂缝。用普通柱状药包和此药包进行钻孔爆破对比试验,结果表明,螺旋管药包试样的残留炮孔孔壁有螺旋形侵彻缝,印证了数值模拟的侵彻结果。并且相比于普通柱状药包,其炮孔利用率提高7.2%、扩孔率提高8.4%。将此药包应用于舟山绿色石化基地围垦区,结果表明,螺旋管药包爆破区域根底高度平均比普通装药低14 cm,根底高度标准差比普通装药小12 cm。研究成果在爆破工程应用中有很大价值,可以降低施工成本、加快施工进度、提高爆破效果,适合在矿山开采、井巷掘进等工程中使用。

     

大断面隧道钻爆冲击波的衰减规律

隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应,将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂,研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试,分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明：钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰,波峰之间具有明显微差延时的短间隔性,传播至远场未形成稳定的单一平面波,与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异;钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成,子信号数量与毫秒延期雷管段数相同,呈现出典型的时域特征;相同爆破条件下,大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的;相较于总药量及最大段药量,按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强,钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定;隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律,呈现较明显的叠加放大效应。

     

变分模态分解在爆破信号趋势项去除中的应用

爆破工程中,信号趋势项的准确去除对提高爆破振动信号分析的精度具有重要意义。针对经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）识别法存在的模态混叠和端头效应等缺陷,提出了基于变分模态分解（variational mode decomposition,VMD）去除信号趋势项的方法,即VMD法。叙述了VMD法识别爆破信号趋势项原理,并进行了仿真实验,结果表明：趋势项频率对分解效果的影响相对较小,当趋势项频率处于1～5 Hz之间时,频率对分解效果的影响基本保持不变;振幅对分解效果影响显著,且振幅越小,VMD法的分解效果越差。当趋势项振幅超过原始爆破信号最大振幅的1/3时,VMD法分解效果较好。最后,应用VMD法和EMD法对含有趋势项的实测爆破振动信号进行处理,认为相比于EMD法,VMD法处理后的信号基本一致且不存在端点效应,在爆破信号趋势项去除领域中具有更加广泛的适用性。

     

不连续岩石梁的失稳解析

本文根据不连续岩石梁的物理力学特性提出了无拉力岩石梁的力学解析模型。根据Ｆｒｅｅｂｏｄｙ法及Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ定量导出了不连续梁各物理量的求解方程式。进而采用挠度增量δｍａｘ＾ｉ＋１＝δｍａｘ＾ｉ＋Δδ↑－的逐次解析方法，求解了不连续梁的失稳问题，得出了与Ｆ．Ｄ．Ｗｒｉｇｈｔ的试验值相吻合的结果。探讨了不连续岩石梁在不同荷载条件下的失稳特性。