研究二维优化模拟复杂的五孔切割爆破在不同侧压系数

文摘

减少和浅层煤炭资源枯竭,开采的深度增加。高地壳应力爆破的机理还不清楚,和地壳应力对爆破效果的影响是显而易见的。微分爆轰的法律没有地壳应力相似。岩体地壳应力的增加线性增加的开挖深度、地壳应力对爆破效果的影响是巨大的。为了研究复杂的微差爆破的岩石破碎过程下深地壳应力高,每个模型和优先级的瞬时爆轰爆中央洞流场进行数值模拟。爆破裂纹的演化规律和优化爆破效果的方法通过微差爆破和增加优先级爆孔的孔径在高提出了地壳应力。作者提出了一种2 d优化仿真研究复杂的五孔切割爆破不同侧压系数下的400米和800米软件ANSYS / LS-DYNA和分析了爆破裂纹的演化规则和侧压力系数。结果表明,设置延迟起爆和孔直径和优化炮眼间距可以优化下的岩石破碎效果高地壳应力和不同侧压力系数。

1。介绍

浅层煤炭资源的减少和枯竭,深部开采已成为必然趋势。随着时间的流逝,未来将向更深的岩层开采。在当前深部岩体的开挖过程,钻探和爆破方法仍然是岩石破坏的主要方法。随着开挖深度的增加,初始地壳应力的影响爆破效果变得越来越重要。根据垂直和水平应力随深度的变化在不同的国家,布雷迪和棕色,纵向应力一般线性增加随着深度的增加,和水平应力的变化规律更为复杂,这使得岩体爆破开挖的深度有很大的困难(1,2]。目前,研究深部岩体矿业仍处于初始阶段,开挖的设计参数仍然是基于浅层岩体爆破的设计方法和初始地壳应力的影响不够考虑,使爆破效果差,开挖速度缓慢,后期支持时间长,甚至有岩爆等重大灾害。这使它特别重要研究岩石爆破破坏初始地壳应力下,尤其迫切需要研究爆破参数的设计和快速和安全开挖岩体初始地壳应力下的稳定性。

针对深部岩体的岩石破碎机理在初始地壳应力下,国内外学者进行了大量的物理实验研究和数值模拟。岩体应力状态方程的基础上削减地区建立了施瓦兹的交替迭代法和弹性力学理论,直切的二维数值模拟进行了不同压力下爆破字段,生成和最大拉应力线连接空心孔和槽洞后初始地壳应力场和爆炸应力场由岩体组合(2]。岩石爆破的破坏模型的基础建立在损伤力学分析不同侧压力系数的影响和埋深裂纹增长规则(3]。Cowper-Symonds硬化模型的耦合模型和张力和压缩破坏模型嵌入LS-DYNA软件为一个二维数值模拟。发现中央洞影响了岩石损伤(4]。爆破参数设计方法适用于深层高压岩石巷道开挖采用数值模拟和现场试验(5]。王等人由蠕变实验数据做了数值模拟,得到的蠕变方程深软岩石巷道的围岩在高地壳压力,建立了定量蠕变和时间和压力之间的关系(6]。他等人总结和分析的主要差异之间深部开采岩体力学性能和浅挖掘通过实验(7]。的理论计算模型,提出了包含损伤变量的碎片大小分布。模拟和测试表明,该行动的动机之间的挤压和碰撞碎片块影响碎片的平均尺寸是一个重要因素不论岩体的类型,特别是对于岩体质量非常糟糕的(8]。新车型命名MAGRM是一组基于multiattention推荐模型。它可以利用multiattention-based深层神经网络结构来实现准确集团推荐(9]。基于LS-DY-DYNA有限元程序,NA有限元程序,和优化切割爆破的高速铁矿山巷道的掘进过程中,作者进行了一项研究关于数值模拟和现场试验切割爆破方法与不同的爆破孔(10]。为了消除交互的简化数据处理和提高生成的工作效率,多余的电极测定的方法提出了基于方差理论(11]。模拟复杂的地壳应力下的岩石破碎机理包括矿渣高性能混凝土的碳化深度预测模型(12,13]。基于岩石爆破理论,作者使用ANSYS / LS-DYNA double-blasthole爆破块度模拟岩石的过程用一个空孔的中心位置(14]。复合应力下岩石裂纹扩展的研究利用数字图像相关技术(15]。磁悬浮控制器的设计与实现进行了讨论,和一个非线性磁悬浮系统的数学模型是建立(16]。基于BP神经网络的理论和工程地质数据库的研究和开发平台,建立岩土参数的预测的基础上,分析岩土材料和岩土沉积物的分布特征和岩土参数(17]。局部平面波分解方法考虑从反演,得到高质量的角度倾斜叠加数据,和动态聚焦束传播算子采用控制光束的发散[18]。减少现有隧道爆破振动影响小的距离隧道爆破开挖期间,软件是用来模拟隧道的爆破振动在不同的位置和形式19]。

地壳应力的作用下,二维数值模拟复杂的五孔爆破不同侧压系数下进行使用ANSYS / LS-DYNA。针对微分爆炸和增加中央炮眼直径下地壳应力高,仿真研究提供了深部岩体的爆破施工。

2。理论分析的岩石状态不同围压和侧压力系数

岩石的钻井条件下的初始地壳岩石的压力改变了原来的稳定状态,周围的岩石爆破孔产生瞬间放松。由于炮眼巷道相比相对较小,炮眼周围的集中应力值小于岩石强度、围岩处于弹塑性状态,围岩是稳定的。然而,放松的稳定区域在炮眼小于原来的岩石。类似于双向松动圈理论,围压(边侧压力系数等于1),垂直应力和水平应力相等,放松区是圆形,炮眼周围的岩石稳定均匀分布,爆炸后,岩石裂纹扩展的方向是随机分布的,这是由地壳应力抑制。在双向的情况下不平等的围压(侧压力系数不等于1),垂直应力和水平应力不相等,放松区是椭圆,椭圆的长轴垂直于最大地壳应力的方向。岩石在爆破孔受到初始应力场的影响,和爆炸裂纹主要是由地壳压力和约束的扩展与地壳应力大。数据1- - - - - -3分别显示了影响图当侧压力系数是1,0.2,4的初始垂直压力下10 MPa。从图可以看出,当侧压力系数λ= 1,均匀应力集中产生的岩石。当侧压力系数λ= 0.2和4,拉伸应力集中产生的地壳应力较大。最大拉应力是由地壳压力和爆炸压力的耦合作用下的恒压两侧,这种分析分析的原因最大拉应力和不同侧压力的影响最大拉应力方向从炮眼的初始应力2]。

岩石的初始应力状态对爆破岩石具有重要影响。初始应力状态下岩石爆破的影响形成的耦合场的耦合应力场重新分配在炮眼周围的岩石和炸药爆炸后的应力场。

2.1。岩石的初始地壳应力场的计算

径向有效应力σ_r0,切向有效应力σ_θ0和岩石的剪切应力τ_r0在炮眼初始地壳应力下可以根据弹性理论计算(20.]: 在哪里σ_H和σ_h是地壳水平应力最大值和最小值;θ之间的角点的径向孔和最大水平地壳应力的方向;R爆破孔的半径;和l的距离计算爆破孔的中心。

2.2。计算爆炸加载下岩石的应力

岩石的应力状态进一步改变了应力波的反射和紧张在炮眼周围的岩石爆炸压力(21]。爆炸的径向应力在某种程度上的岩石σ_r1和爆炸的切向应力在某种程度上的岩石σ_r1可以根据计算应力波的衰减公式(22]: 在哪里p₀是初始压力作用于炸药的爆炸后的孔壁;的价值α应力波衰减系数, ;μ_d动态泊松比,它和静态泊松比之间的关系是什么μ_d= 0.8μ;和λ_d是动态侧压力系数,其值是 。

因此,切向应力叠加后σ_r=σ_r0+σ_r1。时,岩石的切向应力大于岩石的极限抗拉强度的共同作用下,初始压力和爆炸压力,岩石会产生裂缝,然后发生故障。

3所示。建立数值模型对岩石爆破

3.1。岩石本构模型和材料参数

为了观察岩石破坏垂直和水平的变化在初始地壳应力场下,复杂的五孔切割爆破理论模型被选中的情况下RHT岩石本构,固定约束应用于模型的底部,周围的压应力应用于其他三个方向,和初始地壳应力场模拟使用implicit-display强啡肽(顺序23]。因为法律主要是分析和总结了岩石的损伤程度,它不涉及槽腔的形成过程,它直接模拟了岩石的损伤演化过程剖面厚度为0.01米。计算机进行数值模拟时,网格质量影响数值模拟的准确性,并分格的大小和数量的数量影响模拟的准确性。模型的尺寸是5米×4米×0.01米,其中5孔成半径为20 mm排列,炮眼间距是0.5米。因为爆破孔的孔径尺寸很小,相对于模型的大小和垂直界面的大小不会改变模型,仿真计算可以简化为平面应变问题由单层网模型如图4。

采用的爆炸材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、使用JWL状态方程和特定的爆炸性参数如表所示1(24]。岩石力学参数如表所示2(25]。

JWL状态方程的定义的压力 在哪里是爆炸的压力产品;V是爆炸的相对体积的产品;E最初的内部爆炸能量密度的产品;和一个,B,R₁,R₂,ω材料参数。

细胞的物质MAT_NULL。定义质量,弹性模量,泊松比,等等,来定义材料。空气材料模型使用MAT_NULL空气材料模型,其状态方程定义的关键字EOS_LINERAR_POLYNOMIAL,和状态方程如下: 在哪里C_我方程参数和吗E最初是单位内部能量的相对体积 ,V是体积相对。航空材料和状态方程的参数如表所示3。

3.2。地壳应力的加载方案不同侧压力系数爆破损伤

(1)当侧压力系数λ= 1,模型一个:σ_z需要10 MPa和对应于400埋深;模型B:σ_z需要20 MPa和对应于埋深800米(2)当侧压力系数λ= 0.2,模型C:σ_z需要10 MPa,σ_x2 MPa,模型D:σ_z需要20 MPa,σ_x4 MPa(3)当侧压力系数λ= 4、模型E:σ_z需要10 MPa,σ_x40 MPa,模型F:σ_z需要20 MPa,σ_x80 MPa

4所示。数值仿真结果和分析

为了研究微差爆破的岩石破碎过程下深地壳应力高,每个模型的瞬时爆轰和前中央黑洞的爆炸场进行数值模拟。微差爆破起爆模型集中央孔引爆第一,剩下的孔设置50μ年代时间延迟和比较在不同侧压系数;云映射后的输出和分析计算集群。

4.1。岩石损伤演化过程与侧压力系数等于1

因为侧压力系数等于1,洞周围的压力均匀分布;早期的爆炸,爆炸冲击波首先作用于孔周围的岩体,岩体在炮眼首先产生损害。前50μ年代,炮眼周围的岩石损伤的范围在同样的地壳应力模型相似,基本上是塑造爆炸破碎区域,应力波并不足以产生直接破坏岩体而抵制地壳应力和开始继续沿着受损区域,已经形成。岩石的破坏范围相当10 MPa和20 MPa下地壳压力,差别并不是很大。后50μ年代,随着逐步应力波的衰减,抑制的地壳应力爆破效果开始显示如下:由于应力波的逐渐衰减,地壳应力对爆破效果的影响是越来越多的后期的爆炸,它可以看到从最终伤害云映射,伤害范围和受损程度的模型一个明显高于模型B;初始地壳应力越大,波的衰减速度就越大。数据5和6分别显示的损伤演化过程模型A和B。

因为侧压力系数等于1,微差爆破损伤的演变也被地壳应力,但其进化noncrustal应力相似定律,所以它不再描述。

4.2。岩石损伤演化过程与侧压系数等于0.2

通过分析损伤演化过程的侧压力系数0.2,可以发现,当侧压力系数为0.2,周围的初始地壳应力时小洞双向地壳压力是相等的,所以抑制初始地壳岩石损伤演化压力相对较小。伤害云的图,可以看出,由于地壳垂直方向的压力大于地壳应力在水平方向上,岩石损伤主要是在垂直方向发展,洞的损害范围连接在垂直方向大于水平方向,并指导地壳应力对裂纹扩展的影响开始显示。与模型C和D,虽然侧压力系数是相同的,之间的差距σ_z和σ_x的模型D较大,模型的指导作用D损伤演化上更明显,损伤演化速度和破坏范围在垂直方向更大的模型C;之间的差距σ_z和σ_x在模型C小,损伤演化过程在水平和垂直方向上略有不同,但损害范围的方向最终孔连接并没有太大的区别。可以看出,地壳应力的指导作用和抑制损伤演化并不是线性的。的损伤演化过程模型C和D数据所示7和8。

因为模型的爆破效果D在水平方向上并不理想,中央孔将引爆第一,和其他孔设置为50μs延时引爆。的损伤演化图模型D如图9。与瞬时爆轰相比,岩石的破坏范围明显大于瞬时爆轰,指导高地壳应力对损伤演化的影响是削弱,水平损害的范围明显增加,损伤区以外的垂直孔的距离缩短,并有利于后期支持等措施。

4.3。岩石损伤演化过程与侧压力系数等于4

与地壳应力的增加,岩石损伤演化的抑制作用逐渐增加,而受损区域进一步集中在最大地壳应力方向,损伤演化速度的方向最大地壳应力加速,洞的区域外的伤害增加,初始地壳下和岩石爆破压力是更加困难。优化微分爆炸对爆破效果的影响是削弱,主要促进岩石损伤的交点位置的应力波,应力波之间的耦合场和地壳应力超过岩石的极限抗拉强度进一步降低,集中。模型的瞬时和微分损伤演化图E和F侧压力系数等于4,分别如图10- - - - - -13。

在模型F由于大的区别σ_z和σ_x,损伤区域的垂直方向不渗透。此时,微差爆破的情况下,可以考虑增加中心孔的直径和孔间距缩短地壳应力较小。模型增加了中央孔的直径30毫米,和数值模拟炮眼间距减少到0.3,定义为模型G。仿真结果表明,垂直方向的伤害已经运行在132上 ,和损伤程度和损伤面积仍然增加,最后一个孔是完全贯穿而过,洞的利用率增加,损伤范围在两个方向上的差异减少,和不会有情况相似模型F爆破。的损伤演化过程模型G如图14。

4.4。五孔切割爆破结果的仿真分析

从上面的模型和模拟的改进,可以看出,微差爆破在优化爆破效果中扮演一定的角色地壳应力的作用下,与地壳应力的增加,微差爆破的优化效果逐渐降低,以便减少地壳的孔间距较小的方向压力可以达到优化效果,并进一步优化可以增加中心孔的直径;为了满足高地壳下的爆破需求压力,提高炮眼利用率。

地壳应力下的应力波的衰减规律是观察到两个观察点H150890 H108091双向压应力时,在同一位置10 MPa和20 MPa,分别选择位置如图15。

从两个模型的等效应力曲线,可以看出,观察的时间点达到第一个压力峰值是类似的,127左右μ年代,这是因为观测点接近孔间距,应力波的力是不明显,和有效应力约为115 MPa;当观测点达到第二个峰值,此时,应力波开始叠加,地壳应力对应的波的作用开始产生差异;观察点H150890和围压的H108091 10 MPa,峰值时间和大小(189μ年代,168 MPa)和(166μ年代,132 MPa),当围压20 MPa,峰值时间和大小(205μ年代,120 MPa)和(185μ年代,126 MPa);结合图的峰值数据16(26),可以看出,随着地壳应力的增加,对应力波的传播的影响增加,这反映在应力波的增加速度和压力大小衰减速度。

为了研究微差爆破对岩石损伤的影响在不同侧压力、有效应力的时程曲线的微差爆破和瞬时爆破模型D被选作比较分析。所选单元如图17。

在图18的有效应力模型D衰减迅速达到峰值和衰变后初始地壳应力值在112左右μ年代,微差爆破经历了多次应力波叠加,影响时间长,衰减有效应力值在160左右μ年代。可以看出,微差爆破的作用时间长,可促进岩石损伤。此外,其峰值应力小于瞬时爆破,以及由此产生的振动更小,这有利于围岩的稳定性在高地壳压力。

5。结论

利用有限元分析软件ANSYS / LS-DYNA复杂五孔切割爆破的岩石损伤在不同侧压系数数值模拟,和二维网格仿真可分为超过三维仿真同时,可以改善仿真模拟复杂爆破时的准确性。岩石爆破在高地壳压力可以被视为造成的损害耦合位置的岩石爆炸场和地壳应力场,是大于岩石的极限抗拉强度。

在双向压力下,裂纹扩展与地壳应力场的增加,抑制和微差爆破损伤的演化规律类似于noncrustal应力场,抑制的初始地壳应力场。双向压力不均,损伤演化的方向往往是在大型地壳应力场、地壳应力场的指导作用和抑制对损伤演化是非线性的;优先级中央黑洞的爆炸可以优化爆破效果较小的地壳应力场和缩短损伤长度较大的地壳应力场,它随地壳应力场的增加;在这个时候,我们可以考虑增加优先级爆孔的直径条件下的微分爆破。同时,缩短孔间距较小的地壳应力场可以进一步改善爆破效果。应力波速度和有效应力衰减速度随着地壳应力场的增加而增加。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51874189和51874189),山东省自然科学基金(ZR2017MEE043)的访问学者基金山东科技大学、山东科技大学和项目研究生创新基金(SDKDYC190241和SDKDYC190242)。金融支持。

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