文摘

为了优化切割洞隧道爆破的安排在大红山铜矿,理论分析和数值模拟相结合初步确定中空孔的直径和孔和空心孔之间的距离在减少爆炸,这是通过现场爆破试验验证。研究结果表明,孔直径的增加,岩石的压应力峰值周围空孔逐渐减少,和拉应力峰值逐渐增加,与计算结果是一致的;孔直径是10厘米时,一分之二爆炸孔水平排列和30厘米空孔,两个第二次爆炸洞垂直排列的空洞和40厘米,和四个第三爆炸孔排列在45厘米的水平距离和垂直距离45厘米的空洞;数值模拟是最大的轮廓区域。轮廓的不同区域,轮廓宽度,和轮廓,轮廓高度测量值与仿真结果是5.3%,3.3%,和3.4%,分别表明理论计算和数值模拟相结合的适用于预测在隧道开挖爆破后的空腔部分。

1。介绍

减少隧道开挖爆破是一种广泛使用的技术,创建了一个新的自由表面和其他爆炸洞爆炸更有利的条件。与其他方案相比,例如,脉冲压裂[1和水力压裂2),减少爆炸更适合硬岩石和低成本。在隧道中,只有一个自由表面和周围岩石显示大爆炸容器,诱导具有挑战性的爆炸条件。安排大直径孔的切削区域,空心孔的应力集中效应,自由表面效应和卸载压力效应可以用来改善爆破效果(3]。在切割爆破,空心孔不仅提供了最初的补偿空间的岩石膨胀槽腔也改变空心孔附近的应力分布在岩石和相邻槽洞的爆炸效果。这种现象被称为空孔切割爆破的效果。因为孔的效果起着重要的作用在促进岩石断裂,投掷,空泡形成,它已被许多学者关注4]。

莫汉蒂(5)首次提出建立空孔之间爆炸孔控制爆破裂纹的传播方向。曹et al。6]结合数值模拟和实验研究空孔的定向断裂作用。赖(7]建立了计算模型的切割爆破效应理论分析的基础上。在一定条件下,切削效率之间的定量关系和孔直径,减少孔的深度和孔之间的距离减少孔和空洞。吴et al。8)使用ANSYS模拟动态应力的分布和变化趋势在不同地应力条件下爆破孔。田et al。9)基于空孔定向爆破的作用机理,充电孔间距对裂纹扩展的影响进行了研究,推导出充电孔间距的计算公式,并进行了隧道爆破开挖过程的数值模拟。李等人。10)使用ANSYS / LS-DYNA模拟双爆炸孔爆破的岩石碎片的过程用一个空孔的中心位置。由爆破破岩效果,传播之间的裂缝附近爆炸洞,和压力状态的空孔附近的元素进行了分析。郑(11)使用ANSYS仿真软件实现可视化的空泡形成和压力降低爆炸的传播和得出结论,爆炸效果与充电孔之间的距离空洞。宗庆后et al。12]利用腔形成机制解释的原则在深孔中添加孔垂直切割。朱et al。13)使用数值模拟的方法进行比较分析单孔削减方案在不同直径的孔,发现孔反射压力波的影响,积累爆炸能量,和它的效果越来越明显的增加孔直径。悦et al。14)利用焦散线测试系统研究了定向断裂故障在不同孔形状,并得出结论,菱形孔的效果最好的定向传播。通过建立的基本力学模型直孔切割,张齐[15)定量分析了直孔的孔直径对切割效果的影响,数值计算;李等人。16)使用显式动态分析软件模拟之间的裂缝渗透和空孔直径不同,切洞。结果表明,随着孔直径的增加,岩石断裂扩展失败区和压缩破坏区变得更加明显;通过数值计算,王et al。17)发现空孔的优势增加应力波的峰值和延长作用时间。岩体中的应力波在空洞的2.2倍,传统的直井切割,使岩石碎片更加统一和减少块率。同时,应力叠加的现象和反射拉伸爆炸应力波的空洞和空洞的导向作用是直观地显示出来。

然而,空心洞下的切割爆破的安排,几乎没有研究的安排切割洞。在这篇文章中,距离范围是通过理论计算,计算结果与LS-DYNA仿真软件模拟。除此之外,不同的切割孔之间的距离和空心孔分段爆炸的模拟。因此,岩石破碎范围决心获得切割孔的排列和空孔到孔之间的距离的网络参数减少洞终于决定和实地测试作为依据。试验结果表明,理论计算和数值模拟的结合可以用于预测爆炸后的轮廓部分切割洞隧道开挖。

2。理论计算的垂直切割

2.1。计算岩石粉碎区半径和破裂带电荷耦合条件下

根据大红山铜矿的巷道开挖要求玉溪矿业,330米~ 400米的中间部分是作为一个研究课题,位于第三低的岩石部分原生代Manganghe形成。这部分主要由大理石、岩石和整体质量是中等。岩体的完整性是媒介,室的围岩是稳定在矿业或巷道开挖。地质类型分层和quasilayered存款由硬和半硬的岩石组织和工程地质条件中等。有本地馆起伏的单斜结构和四组的缺点。特定的力学参数(18,19)如表所示1:

中使用的炸药爆炸是1号岩石乳化炸药,和参数如表所示2在下面。

岩石破碎带的半径和断裂带的耦合条件,分别是(20.), 在哪里是粉碎区半径(米)是岩石密度(公斤/米³),在岩石纵波的速度,是炸药密度,是炸药的爆轰速度,σ_cd是岩石的单轴动态抗压强度(MPa), ,σ_c岩石的单轴静态抗压强度,是应变加载速率(s¹之间),这是10⁰和105年代¹在工程爆破。压缩环,加载速率较高,可以作为 ;压缩环外,加载率进一步降低,可以作为 ;λ侧压力系数, ; 是裂纹区域的半径(米);α冲击波传播的衰减指数;μ_d是动态岩石的泊松比;爆破孔半径;μ是岩石的静态泊松比;σ_道明是岩石的动态抗拉强度,由于岩石的动态抗拉强度变化与加载应变率小。加载应变率范围内的工程爆破的岩石, ;σ_t岩石的单轴静态抗拉强度,然后呢β是压力衰减指数是写成β区分从破碎区, 。

因此,破碎带的半径和裂纹区域的半径被确定为5.73厘米和28.50厘米,分别。

2.2。空孔直径

空洞的表面相当于自由表面,具有定向影响破碎的岩石。当空洞的直径等于或小于直径的孔,形成的表面波反射应力波比入射波表面凸,分化程度较高,那爆炸的能量迅速衰减,自由表面的空洞影响不大。为了提高自由空孔的效果和充分利用炸药能量打破岩石,在线切割,空洞的直径应尽可能地增加或设置多个小直径孔。同时,空洞也安排了应力集中的位置,和裂缝是最可能发生,因为空孔提供了扩张的空间破碎的岩石。切割爆破不仅打破了岩石腔还把破碎的岩石的腔提供一个新的自由表面后爆破孔(21]。考虑施工效率,一个大直径孔被选中,并安排中间的切割区域。

根据实际工程情况,在岩石钻孔、成孔速度往往随空孔的直径的增加。但是在一定范围内,爆炸孔的成孔速度不需要与孔直径的增加显著降低。大红山铜矿电荷孔直径在50毫米。当空洞的直径大于孔径槽和公式(2)是满意,不仅孔和槽之间的岩石是可以打破的,还可以形成破碎漏斗(22]: 在哪里空孔的直径,是充电孔的直径,δ是岩石爆破断裂角。当使用垂直切割时, 是必需的。

通过理论分析和计算,中空孔的直径应大于充电孔的直径,和他们比需要大于1.7,也就是说, 。为了形成足够的补偿空间,必须选择一个大直径空洞而削减自由表面和爆破孔平行。

2.3。确定孔的距离

爆破孔的布局图所示1。在中间,有一个空洞;第一个爆破孔是我2张;第二爆破孔二1和2 2;第三个炮眼是III-1 III-2, III-3, III-4。

2.3.1。第一个爆破孔之间的距离和空洞

第一个爆破孔之间的距离和空洞主要是由爆炸能量,爆破孔的体积,爆炸行动指数和炮眼偏转(23]。

(1)破碎的影响半径。由于岩体被第一个爆破孔应位于裂隙带的第一个炮眼,中心距l₁第一个爆破孔和空洞的半径应小于裂隙带,即: 在哪里是第一个爆破孔间距和空心洞,和中空孔的直径是根据仿真结果和10厘米 。

(2)扩大利润的影响。第一个爆破孔之间的距离和空孔的半径应大于破碎环和小于裂纹环的半径。当孔间距小于破碎的半径,槽可能“挤压”由于过度岩石破碎或相邻的损伤,从而导致排斥反应的发生。当爆破孔间距大于裂隙带的半径,它可能会导致岩石碎片不足,未能形成一个完整的爆炸空腔。空孔的体积应该接近岩石的体积增量引起肿胀的影响下,第一个爆破孔;因此,这个距离可以获得: 在哪里孔的半径,r是充电孔的半径,是电荷系数,是破坏岩石的膨胀系数,作为吗 在这篇文章中。充电孔的直径是5厘米,和解决方案 。

(3)破碎的类型的影响。压碎岩完全扔掉时,距离第一个爆破孔和中空孔的中心 在哪里ε系数与岩石类型、岩性、结构,它是2本研究;计算后, 。

(4)爆破孔挠度的影响。为了防止爆炸洞之间的渗透,公式(6)需要满足: 在哪里炮眼的深度,爆破孔的偏转角。

在大红山铜矿,岩石钻井平台是一个Kaishan品牌KJ311全液压隧道钻戒指。爆炸孔偏转角可以控制在1°;所以,它是计算出 。

综合分析上述影响因素后,第一次爆破孔之间的距离和空洞的范围决定 。

2.3.2。距离爆破孔空洞

最优阻力线和自由表面电荷的宽度可以根据以下经验公式(7)[24]: 在哪里e是爆炸力量的校正系数,0.89在这个项目中,自由表面的宽度,是最优分段爆破孔的阻力线。

孔布局图如图1。第一枪孔之间的距离和空洞 ,自由表面的宽度 ,第二个炮眼的最佳阻力线由公式(7), ,然后第二枪孔之间的距离和空洞 。第三个炮眼的自由表面宽度 , 。第三个炮眼的最佳阻力线通过公式(7), ,然后第三枪孔之间的距离和空洞 , 。每个充电的最佳阻力线孔与自由表面的宽度,即爆破孔之间的距离和空洞。

3所示。切孔布局参数的数值模拟

3.1。几何模型

ANSYS / LSDYNA是用于建立一个二维有限元模型的大小 ,边缘的定义为一个无反射边界,钻孔直径是5厘米,电荷方法耦合的电荷,电荷直径是5厘米,大直径的孔位于中心的模型。爆破孔布局如图1。

实验方案如下:(1)后计算孔的直径,指的是我常用的钻头,充电孔与孔之间的水平距离设置为20厘米。在中国使用大孔的直径是7.5厘米~ 10厘米(17];所以,被选为7厘米,7.5厘米,8厘米,9厘米,10厘米、12.5厘米,分别和两张收费漏洞和我2同时引爆(2)方案(1)后,确定孔直径10厘米,爆破孔和空洞是横向排列,第一次爆破孔之间的距离和空洞被设置为20厘米,25厘米,30厘米,分别和两张爆炸洞和我2同时引爆(3)在确定第一个爆破孔之间的距离和空洞,通过经验公式,不同孔间距为第二个炮眼,分别设置为35厘米,40厘米,模拟和45厘米,第二次爆破孔沿纵向方向排列。一分之二张爆炸洞和我2同时引爆。rock-free单元的失败后,两个第二次爆炸洞II-1和II-2再次引爆(4)而计算的距离 第三个炮眼和空洞之间通过经验公式,爆炸洞空孔排列对称,和他们的水平和垂直距离 和 ,分别。为了验证该参数的准确性,设置水平距离和垂直距离第三爆破孔间距设置为40厘米,45厘米,50厘米,和四个第三爆炸洞III-1 III-2, III-3,同时III-4引爆后第一次和第二次引爆了爆炸洞,和rock-free单位继续失败

3.2。材料模型和参数

炸药在现场使用的是1号岩石乳化炸药(16),模型被选中,状态方程定义的关键字吗 ,这是用来描述体积,压力,爆炸的能量特征。爆炸材料的方程参数和状态本文中使用如表所示3。提出了许多本构模型来描述脆性材料在爆炸冲击的影响。根据大红山铜矿的现有数据,大理石材料模型的各种参数,如表所示4(25]。使用定义岩石的抗拉强度,当元素的有效应力达到抗拉强度时,它会自动消失;因此,动态显示的破碎过程切孔和空心孔可以实现26,27]。

岩石碎片区域判断建立在岩石的失败或unfailed摇滚元素周围的岩体,分开和岩石被认为是完全坏了。如果有一个细长的区域宽度的一个单位,是判断裂缝,岩石不包括在这一领域的统计数据。

3.3。选择空孔直径

电荷的爆炸洞后,冲击波衰减到岩石的应力波传播,当它到达洞的墙,它将反映。孔附近的岩石的压力大于的条件没有一个洞。因为这是一个空心洞,应力集中,最大拉应力是产生爆破孔之间的连接和空心洞。当这种压力大于岩石的动态抗拉强度、径向裂缝将出现在空心孔;结构不断充电,钻孔周围的初始最大拉应力可以表示如下(28- - - - - -38]: 在哪里σ_{θθ马克斯}的最大拉应力峰值在爆炸后的孔壁(MPa),爆破孔的半径(米),然后呢孔的半径(米)。

条件下不同的孔直径,孔壁的最大拉应力可以计算,如表所示5。根据方案1,模拟不同的孔直径,压力历史曲线如图2,孔壁的最大拉伸应力。计算结果和仿真结果绘制在图3,可以看出,计算和仿真结果基本上是一致的;他们都随着孔直径的增加而增加。

从图可以看出2孔的直径从7厘米增加到12.5厘米,孔壁之间的距离和第一个爆破孔逐渐减少;所以,到达峰值的时间压应力孔壁周围的岩石从99.6降低μ年代,至89.9μ年代,从96.7 MPa压应力峰值降低到85.7 MPa,表明当激波远离爆炸的中心孔,冲击波继续减弱,应力值持续下降。同时,到达峰值的时间从130年拉应力降低μ年代到110μ年代,拉应力峰值从176 MPa提高到235 MPa,表明腔压缩波传播时,它将反映形成拉伸波,同样的效果作为初始应力波传播到自由表面。的拉应力也可以知道周围的岩石壁腔随腔的直径的增加,和腔的直径越大,就越容易对围岩受到张力,这有助于形成空腔。考虑现有的岩石钻探设备和大红山铜矿岩石钻井成本,选择孔的直径10厘米。

3.4。空孔之间的距离和第一个爆破孔

根据方案2,模拟不同的第一个爆破孔之间的距离和空的洞,岩石的破坏范围如表所示6。

可以看出,模型20厘米的孔间距,爆炸后,岩石破碎带的宽度是70.21厘米,横截面积是1651.7厘米²;当孔距25厘米,宽度和岩石破碎带的横截面积是76.61厘米和2182.9厘米²分别;30厘米的孔间距,岩石破碎面积是最大的,和相应的宽度和面积是83.1厘米和2320.5厘米²。

3.5。空孔和第二爆破孔间距

根据方案3仿真进行,在此期间一分之二爆炸洞后引爆了25 ms,第二个炮眼引爆。岩石的破坏范围如表所示7。孔的孔壁压力随时间的变化曲线如图4。

可以看出,在爆炸之前,随着孔距离的增加,峰值应力爆破孔壁是221 MPa, 140 MPa,和136 MPa,分别表明第二爆破孔间距越小,空洞造成的更大的应力波的影响第一个爆破孔。除此之外,第一个炮眼引爆后,大量的岩石单元第二个炮眼周围被破坏,这与实际情况是一致的。在实际的项目中,炸药和雷管的第二个洞可能是“挤压”,这将影响爆破效果。当间距从35厘米增加到40厘米,墙的峰值应力的第二个炮眼是减少了36.6%,但当间距从40厘米增加到45厘米,峰值压力只减少了2.8%,表明当间距增加到一定程度上,孔壁的压力的下降幅度会减少。当第二次爆破孔之间的距离和空洞是40厘米,形成岩石碎片区宽88.7厘米,高118.1厘米,横截面积的岩石碎片区是6728厘米²;岩石破碎区形成的横截面积是最大的。因此,第二个炮眼和空孔之间的距离是40厘米。

3.6。空孔之间的间距和第三个炮眼

根据实验方案4,一分之二后引爆爆炸洞,第二个炮眼引爆了25 ms和第三个炮眼引爆并持续25 ms。岩石损伤范围如表所示8。孔的孔壁压力随时间的变化曲线如图5。

引爆了第一次和第二次爆炸洞后,与孔间距的增加,岩石的压应力峰值周围单位第三爆破孔达到190 MPa, 70.5 MPa,分别和49.3 MPa。在水平和垂直距离第三爆破孔和空洞的变化从40厘米45厘米,周围岩石的压应力峰值第三炮眼下降62.8%,和岩石破裂。同时,岩石碎片区域的横截面积增加了16.8%。水平和垂直距离变化时从45厘米到50厘米,岩石的压应力峰值下降30.1%爆炸后,和周围的裂缝洞更充分发展;然而,由于大爆破孔间距,反射拉伸波较弱,使爆破孔的第三段无法完全穿透爆炸后,和岩石碎片的形成区域是不好的。因此,第三个钻孔之间的水平距离和空洞是45厘米,垂直距离是45厘米。

4所示。现场验证测试

4.1。验证爆破孔布局

测试网站是在大红山铜矿中间部分285,高度370米。根据现有的数据,主要岩石是大理石,和岩石力学参数接近在数值模拟中使用。在测试中,孔直径是5厘米,空心孔直径10厘米,炮眼深度是320厘米。爆炸的断面尺寸测试宽350厘米,330厘米高。减少区域位于中间的部分,和位置如图1。使用的炸药是一号岩石乳化炸药。根据网站的实际情况,收费系数是0.8,采用电荷耦合形式。此外,空心削减计划需要推迟三套雷管在相等的时间间隔25 ms。初始化的顺序如下:第一个张爆炸洞和我2用雷管引爆两部分;第二个爆炸洞II-1 II-2使用四节雷管引爆;第三次爆炸洞III-1 III-2, III-3, III-4使用六节雷管引爆。25 ms等距延期雷管都统一由磁电雷管引爆。

4.2。效果和分析爆炸的空泡形成

爆炸后,腔形成,如图6。腔的横截面的宽度和高度测量和统计计算,如图7;在图8,空腔的面积计算与仿真结果相比,和统计数据如表所示9。

腔的横截面积的现场试验大直径孔垂直切割方案仿真结果小于5.3%,在现场测试腔的宽度比的仿真结果大3.3%,和现场测试腔的高度小于3.4%的模拟结果。可以看出腔之间的差异从现场试验获得数据和数值模拟结果在6%。

5。讨论

本文通过结合理论计算和数值模拟,以岩石断裂区域为评价基础上,空洞的直径和切割孔的位置逐渐确定,和孔分布的可靠性参数由现场试验验证。然而,在这种方法中,岩石被认为是完全均匀,不考虑关节的影响,裂缝,岩石在爆破效果和地下水。同时,只有选择大理石岩性研究,与实际工作条件是一个复合岩体以大理石为主;所以,一定有一些错误的数值计算结果。此外,本研究只分析爆破后的轮廓部分通过二维模型的影响,不能获得的井深循环切割爆破的镜头。现场试验后,只有减少腔的截面尺寸测量,验证和切割爆破效果。

6。结论

本文通过理论计算和ANSYS / LS-DYNA数值模拟方法的影响切割孔布置在爆破后腔轮廓表面的大小进行了研究,并得到以下结论:(1)最大拉应力将生成的壁空洞接近充电孔的中心,与岩石的抗拉应力单元空孔壁直径的增加而增加的空孔直径。根据钻井成本和实际的矿山设备、空孔直径终于选为10厘米(2)带着空孔直径10厘米为中心,两个洞30厘米距离空孔排列横向对称作为第一个爆炸,两个洞40厘米距离空孔排列垂直对称作为第二个爆炸,和四个孔排列完全的第三次爆炸。爆破后的轮廓区域腔是最大的(3)现场试验显示了错误的部分面积,宽度、高度和腔内6%,数值仿真结果表明理论计算和数值模拟可以用于预测轮廓部分区域爆炸后在巷道开挖上开洞。这种数值模拟方法可以进一步扩大从二维到三维研究空泡形成的效果在不同切割模式和选择性地开展现场试验验证,以便找到一个数值方法预测地下巷道的空泡形成影响切割爆破

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

概念化、方法验证、数据管理、可视化、原创作品准备草案被J.W.贡献和区域时间实验指导和数据分析由Q.L. Z.W.理论分析被X.L.贡献,H.W.形式分析writing-review和编辑都是由所有作者贡献的。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。羌族李co-first作者。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51934003号),和它的支持是感激地感谢。