文摘

复杂地质条件往往使爆破效果难以控制。为了探索的影响摘要岩层岩石爆破的特点,基于土坡软件,结合粒子扩张加载算法,数值模拟进行爆破实验。首先,爆破方法的合理性验证了单孔砂岩爆破实验。然后,摘要本文建立了复合层,复合地层的单孔爆破实验,用不同的软岩地层厚度分布和坚硬的岩层,是执行。实验结果从三个角度进行了分析:裂缝网络状态,岩体内部应力和能量场。结果表明,(i)摘要本文岩界面之间的距离和炮眼严重影响爆破效果。法律的裂纹数量不同距离是通过进一步分析。(2)当硬摇滚引爆,如果结构面2倍粉碎区半径从炮眼,岩体将在一个相对较高的应力状态由于应力波的反射和叠加。(3)硬摇滚引爆时,如果结构面2倍炮眼的粉碎区半径,与纯硬摇滚情况相比,动能峰值和峰值摩擦能量增加了15倍和2.6倍,分别和峰值应变能减18%。

1。介绍

爆炸产生的冲击波减弱随着传播距离的增加。在一定距离爆炸中心,岩体中的激波变成连续的应力波。结构面与一定地质界面扩展方向和相对较小的厚度在岩体形成的。岩体结构面在自然有很多,如关节,裂缝、断层裂缝区,和弱层以及层状岩体(1- - - - - -8],严重阻碍应力波的传播,使其难以控制爆破效果。国内外学者进行了深入研究结构面在岩体爆破应力波的影响。天然岩体与关节是很常见的。位置(9)、数量(3)、角度和间距的关节10严重影响应力波的传播。除了摇滚的关节,这一趋势和位置的错,爆炸序列,开采深度也严重影响应力波的传播规律(11- - - - - -13]。冯et al。14]讨论了影响爆炸荷载引起的压力传播互动的缺点,发现应力波的传播放大两者之间的压力通过该地区能源的缺点。通过数值分析和仿真实验,高等人高和et al。15,16]研究煤和岩石的损坏和故障特征的逆断层引起的爆破应力波的反射,发现爆破应力波的逆断层加剧了煤和岩石的破坏。软弱夹层是软弱岩体的一部分,通常对项目造成不利影响。王等人。17)建立在一维应力波的传播模型与软弱夹层岩体,研究了应力波的波形变化规律,提出了软弱夹层的动态弹性模量的测试方法。刘等人。18)认为,应力波的能量后第四折射和反射过程中可以忽略往复反射应力波的夹层。利用数值模拟方法,太阳et al。19)厚度的影响,讨论了软弱夹层的位置,角爆炸应力波的传播。

摘要复合岩层等实际工程中经常遇到隧道开挖和深部资源开采20.- - - - - -24]。由于项目的需要,将进行爆破在不同位置的地层或不同的地层,并摘要地层的存在很难人为控制爆破质量和效果。为了弥补上述的不足研究的学者摘要岩石爆破,使爆破效果更可控,本文建立了岩石mass-blasting摘要岩石的数值模型,从多个角度分析了爆破特点。结论可以为实际爆破工程提供参考。

2。土坡方法的基本原则

通常是复杂的岩土工程问题。有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)数值模拟方法难以解决岩土材料的大变形和失败。近年来,离散单元法(DEM)在岩土工程中得到了广泛的应用和发展(25- - - - - -27]。民主党可以解决的力学现象复杂的岩石和土壤质量在岩土理论难以解释和揭示岩石的破坏机理和破坏变形和土体材料从宏观的mesolevel,微程序级的观点。1979年,Cundall和斯特拉克28)开发了第一个二维离散单元程序来模拟颗粒介质的力学行为。Potyondy和Cundall29日]认为岩体材料可以由两个元素:粒子与粒子之间的联系人,粒子和接触变形和破坏。曹et al。30.)建立了一个数值模型的单轴压缩试验使用PFC实验室单轴压缩试验的基础上,以获得岩体的microparameters。

土坡方法的基本假设如下(6]:(1)数值模型的元素之一,一个圆形粒子,被认为是一个刚体的程序(2)颗粒之间的接触只发生在一个小区域,可以近似为点接触(3)颗粒之间的接触也是数值模型的元素之一,和联系是灵活的。和两个粒子处于连接状态是允许有一定的重叠,但重叠的数量远少于两个粒子的半径(4)颗粒之间的接触力和重叠连接的力位移方程(5)颗粒之间的接触可以建立焊接接触

2.1。土坡的基本控制方程

土坡数值模型是基于不连续介质理论。因为媒介的元素是离散的粒子,粒子运动并不是受到变形方程。粒子位移和颗粒之间的接触力是由物理控制方程。线性和非线性的法律程序中改变粒子分布和应力状态。因此,粒子只需要满足平衡方程。整个数值模拟过程是基于力位移法和牛顿第二定律。力位移定律反映在颗粒之间的接触力,和牛顿第二定律反映在控制粒子的位置和调整每个元素之间的接触关系。随着步伐的不断迭代,接触力,不断更新元素的位置,和接触关系。

土坡的运动方程是表示两组向量方程。平移运动的方程可以表示为 在哪里合力或外部应用力的总和的粒子,是粒子的加速,粒子的质量,是身体力加速度向量(例如,重力加载)。

旋转运动的方程可以表示为 在哪里角动量,是惯性张量,是角速度。

2.2。岩体材料的模拟方法

在本文的数值模拟实验,两个接触模型应用在土坡,即线性模型和并行债券模型(图1)。线性模型主要存在于颗粒之间的接触和墙上当模型建立和物质损失后颗粒之间的接触。线性模型可以认为是一对正常的弹簧常数刚度和切向刚度、可转移法向力和切向摩擦力,但不是时刻。基于线性模型,并行债券模型增加了传输的功能。它主要存在于模型建立时颗粒之间的接触。粒子之间的并行债券模型将成为一个线性模型在材料损坏。失败条件公式所示(3)[31日]。 在哪里和代表的最大正应力和最大剪切应力,分别。和代表的正常和切向分量parallel-bonded部队( ),分别。和的面积和惯性矩键截面,分别。是债券半径。如果拉应力超过拉力强度( )或剪切应力超过抗剪强度( ),这意味着保税连接失败,生成相应的张力裂缝或剪切裂纹。

2.3。应用爆炸加载基于粒子膨胀算法

在爆破数值模拟,通常有三种方法来应用爆破荷载。首先,爆破力是直接应用于最深处的粒子接近爆破的岩石。第二,爆破点压缩周围的岩体应用爆破应力波通过自己的扩张。第三,粒子的速度在炮眼预设,然后直接应用到粒子。本文选择第二个爆破点展开法应用爆破荷载(32]。如图2爆炸,当质点扩展,它将重叠的粒子周围的岩体。

根据粒子接触原则的土坡,径向力在爆炸后的围岩粒子点扩张

然后爆炸半径是点粒子扩张 在哪里是粒子的接触刚度;是最初的爆炸半径点;扩张后是爆炸半径;压力作用于炮眼墙;和是粒子的最大半径和最小半径扩张,分别。

爆炸荷载传播到周围岩体爆炸点为中心,形成相当于脉搏波和行动。这是简化为半正弦波(如图3),同时在部分上升和下降部分,及其表达式 在哪里爆炸载荷,4 GPa的峰值压力,半正弦行动时间,一般10 ms,然后呢是时间是20毫秒。

因此,可以应用于岩体爆破应力波只要爆点的扩张半径改变根据方程(7)和(5)。

2.4。边界条件的配置

为了消除应力波的反射边界,有三种常见方法在数值模拟33]。第一个方法是扩大模型的大小和消散爆炸所产生的能量通过模型内部摩擦,当地的阻尼和粘结接触,因此,应力波在到达边界之前已经完全消散。第二种方法是解决边界粒子的速度和位移,对应力波的影响在边界粒子。第三种方法是应用边界力边界粒子吸收应力波能量的要求。

本文假定岩石模型是一个无限介质模型,而忽略了应力波的反射边界。因此,采用施加边界力方法,应力波色散边界设置在土坡模型吸收边界的应力波传播的应力波不反映。本文考虑了粘性边界Kouroussis和Verlinden[提出的34)和应力波传播的色散效应提出的岩体边界(32]。

边界力和粒子运动速度之间的关系 在哪里是粒子半径,岩石密度,波速,粒子速度。 在哪里和是纵波和横波的色散效应修正系数,分别;和分别是纵波速度、横波速度;和分别是正常和切向速度的粒子。

3所示。模型建设和验证

3.1。数值单孔爆破模型的建设

数值的单孔爆破模型,如图4建立了用颗粒流代码(土坡)。模型的大小是 米,一个圆形的爆发点的半径10厘米设置模型的几何中心。模型包括79372个粒子。应用初始应力场与压缩压力四条边的岩石模型。监控点,如图4模型,建立了内部监控内部压力(~是在水平方向上的监控;~监控点在垂直方向)。

砂岩(硬摇滚)作为研究对象进行单孔爆破的数值模拟。元等人进行了室内测试和砂岩的单孔爆破数值模拟,与试验结果是好的。因此,砂岩的微观参数获得的元等人使用摘要如表所示1。

为了验证砂岩微观参数表的合理性1巴西分裂,单轴压缩试验,测试,和双轴压缩试验也进行了介绍。实验对比结果如图5- - - - - -7,这表明,参数表1准确、合理。更重要的是,这三个测试的结果与文献中完全相同(35)通过崔et al。

3.2。爆破结果的比较和验证

在颗粒流代码(土坡),粒子扩张方法用于生成粒子的初始半径范围5 ~ 7.5毫米,然后提出的伺服机制Cundall和斯特拉克28)是用于设置一个初始应力场5 MPa的岩石样本。当样品的围压达到目标围压,删除墙和退出伺服。岩石样品的平行键选择模型与初始应力场,并给出了microparameters粒子之间的联系。最后,设置透射边界和爆破荷载应用于爆破。整个爆破过程持续20 ms,最终爆破效果如图8(一个)由作者所示相同的结果获得了文献[35]。在相同的模式下大小、岩石力学性质和初始应力场,得到的结果基本上是一致的,元et al。31日)(图8 (b)),证明本文采用的爆破方法的合理性。

4所示。工作情况下设置

在实际爆破工程,多个地层的条件是很常见的。因工程需要,将进行爆破在同一地层或不同位置不同的地层,对爆破效果有重要影响。在此基础上,本文进行了单孔爆破实验摘要岩层。

的围压是一样的单孔爆破模型,这是5 MPa。介绍了软岩地层砂岩和研究不同软、硬岩厚度的影响爆破效果。Liangfu et al。36)使用土坡进行单轴压缩试验和双轴压缩试验,准确校准microparameters石灰岩。因此,本文以群microparameters石灰岩(表2软岩的)作为参数。单轴压缩试验和双轴压缩试验也进行了哪些结果如图9和10,这证明参数表的准确性2。的具体分布情况下软岩层厚度( )和硬岩层厚度( )在岩体模型如表所示3。

5。爆破结果

5.1。裂缝网络分析

在应力波传播的过程中,会发生反射和透射当遇到故障或关节。当没有填充物的波阻抗差异的缺点和媒体在炮眼,应力波的能量主要是传播。相反,应力波能量主要反映。事件压缩波与反射拉伸波和其他拉伸波形成的应力波叠加区域波前(37]。除了反映了结构面岩体本身,在岩体爆破产生的裂缝也块反射应力波。因此,应力波将收敛波的侧脸上,这将加重这部分岩体的失败。见图11相应的爆破裂隙网络的飞机结构在不同位置(11例表工作3)。从图可以看出11结构面有一个重要的位置对岩石的损伤程度的影响。

从图可以看出11结构面有一个重要的位置对裂缝的数量和形状的影响。根据裂缝网络的结果,裂缝主要分布在炮眼和裂缝的数量可以反映岩体的损伤程度在一定程度上。裂缝的数量越多,岩石损伤的程度越高,反之亦然。因此,本文研究了软岩地层的厚度之间的关系( )和裂缝的总数在相应情况下(图工作12)。如图12曲线可以分为三个部分:(1)结构面在炮眼。如图12, m曲线(对应工作情况下数字1 ~ 5(11日)- - - - - -11 (e))、炸药引爆在坚硬的岩石和坚硬的岩石的应力波是入射软岩。根据图11下,以上工作情况下,结构面之间的距离和炮眼严重影响岩体的损伤程度。结构面是越接近炮眼,发生在岩体裂缝越多,时间越长主裂纹的长度。对于这些现象的原因是结构面是炮眼,越接近越反射应力波能量。此外,裂缝的不断发展也有一个屏障对应力波的影响,导致增加应力波能量炮眼和结构面之间的收敛,从而增加了这部分的坚硬的岩石的破坏程度。同样,更多的能量传播的应力波传播的软岩、软岩的损伤程度越大。通过仿真结果的数值实验,之间的关系和裂缝的总数在相应情况下可以获得工作 在哪里 , ,和 。(2)结构面是在炮眼附近。如图12, m曲线(对应工作数据的例5 ~ 711 (e)- - - - - -11 (g))。当结构面变化在2 *破碎区域的半径,减少裂缝的数量急剧的增长 。这一现象的主要原因是结构面冲击波传播的变化区域,因此岩体损伤程度的变化趋势是相当不同的应力波的传播区域。这个结果同样可以拟合获得的裂缝和总数之间的关系 在哪里 和 。(3)结构面低于炮眼。如图12, m曲线(对应工作情况下7 ~ 11的数据11 (g)- - - - - -11 (k)在软岩),炸药引爆,应力波是入射软岩石坚硬的岩石。从图可以看出11的增长 ,裂缝的数量基本稳定在1500,和美国的裂缝基本不变。这一现象的原因是,在软岩应力波能量将迅速降低,因此,应力波反射和传播的结构面相当少,这是不足以加剧岩石的破坏。这也是为什么钻孔周围岩体的损伤程度是高于引爆在软岩在硬摇滚引爆。结果表明,在软岩引爆炸药时,结构面之间的距离和炮眼岩体的损伤程度的影响不大

总之,当结构面在炮眼,裂缝数量的增加成倍的增长 。当结构面在炮眼,裂缝的数量的增长将大幅减少 。当结构面在炮眼,裂缝的状态和数量变化的影响较小 。

根据数据的分析11和12:(1)比较图(11日)与图11 (k)。的工作情况下启动在纯硬摇滚和纯软岩,分别的总数裂缝几乎是相同的,但裂缝的状态有很大的不同。当起始纯硬摇滚,破碎面积小,爆炸应力波的衰减慢,和开裂面积大。开始在纯软岩相对纯硬摇滚,和破碎面积大,表明应力波在软岩迅速变弱,导致在一个小范围的开裂区。相比与图2例11 (f)结构面,当启动,它能抑制坚硬的岩石裂缝的发展,促进软岩裂缝的发展,和裂缝沿结构面容易开发(2)比较图11 (e)与图11 (g)。当炮眼和结构面之间的距离是一样的,应力波的衰减是由于高强度缓慢坚硬的岩石,因此,应力波传播给软岩后将导致开裂。相比之下,由于软岩强度低,迅速变弱的应力波,应力波传播到坚硬的岩石后不会导致开裂

5.2。岩体的内部应力分析

5.2.1。开始在坚硬的岩石

通过使用监测分~和~,峰值应力方向平行于炮眼和峰值应力是垂直于炮眼方向在工作情况下1 ~ 5集。和峰值应力的变化曲线得出两个方向(图13)。

如图(13日),当 ,1和2米减少迅速的增加 。结构面从炮眼,越远越少反映应力波。更重要的是,有裂缝的阻塞效应应力波,应力波的叠加效应平行于炮眼是不明显的。当 和4 m的衰减趋势开始改变。特别是当 m的变化趋势倾向于降低,然后增加,表明当结构面半径的2倍压碎区离炮眼,应力波将严重反映和叠加两岸的炮眼,导致岩体内应力高远离炮眼。

如图13 (b)的变化趋势与相对一致的。的影响在主要体现在,当是1米,随的增加而减小 。特别是,当启动在坚硬的岩石,减少成倍增长。结构面是炮眼,越接近越应力波反射。此外,裂纹在应力波的屏蔽效应将导致更高的能量聚集在炮眼之间的岩体结构面,并最终岩体的损伤程度就越高。因此,应力波的衰减幅度越高。

总之,当启动在坚硬的岩石和结构面粉碎区半径的2倍( 米),先降低,然后增加的增长 ,硬摇滚炮眼和结构面之间是处于高应力状态。的增加 ,峰值应力垂直于炮眼方向在一个指数迅速衰减。

5.2.2。开始在软岩

的变化曲线和在工作情况下7 ~ 11图所示14。

如图(14日)的变化趋势相对一致,减少迅速增加的吗几乎没有变化的影响 。这表明软岩的应力波衰减迅速,消耗很多之前传播结构面。因此,很少有反映应力波,结果在一个小的变化的影响在 。

如图14 (b)的变化趋势也相对一致的,这也表明,改变的吗没有影响吗在上部岩体。然而,的变化有很大的影响吗在较低的岩体。的增加 ,的在的地方是1米迅速减少。在同样的情况下工作 ,的显示了一个增加的增长趋势 。当 m。

总之,在软岩起始时,增加了 ,峰值应力迅速降低2倍的粉碎区半径(是1米)。当是常数,将增加的增长 。当 m。

5.3。进化过程的能量场

为了研究结构面位置的影响岩体的内部能量,分析了爆破结果从动能的角度,摩擦能量,应变能。三个能量计算方法(公式(12)- (14)给出了颗粒流程序(土坡)。通过能源记录软件,可以获得岩体的能量演化曲线。

动能( )计算方法: 在哪里粒子的质量,粒子的速度,是粒子的总数。

摩擦能量( )计算方法: 在哪里阻尼器的力,是相对的翻译速度,是在时间。

应变能( )计算方法: 在哪里是正常的刚度,剪切刚度,横截面积,横截面惯性矩的平行键,是平行键截面的极惯性矩,parallel-bonded法向力,是parallel-bonded剪切力,是parallel-bonded扭矩(2 d模型: ),和parallel-bonded弯矩。

5.3.1。开始在坚硬的岩石

在坚硬的岩石开始时,动能的进化过程,摩擦能量,应变能的数据所示15和16。

根据能量演化曲线,软岩的厚度严重影响的变化三种能源:(1)如图(15日)岩体的动能飙升由于连续邻近的结构面炮眼。在纯硬摇滚起始时,动能峰值7.7 kJ;当结构面1米离炮眼,动能峰值为124 kJ,约15倍的纯硬摇滚

当爆破时间约为5 ms,动能达到第一个峰值以及最大峰值。随着爆破过程的进行,动能振幅开始显著减少。为了清楚地观察动能的变化幅度的增长 ,斜行L0 ~ L4(代表 米)是用来适应振幅。可以看出,当是常数,动能振幅线性降低。特定的减少值如表所示4。当没有在岩石结构面,动能有两个明显的振幅,第二幅是大约25%的第一幅值;有结构面岩石时,动能至少有三个明显的振幅。与第一幅相比,第二振幅和第三振幅衰减了42%和65%,分别。(2)如图15 (b)爆破过程,摩擦能量迅速增加之前7.5毫秒,然后趋于稳定之后7.5 ms。与结构面接近炮眼,摩擦能量的增长程度迅速增加。在纯硬摇滚起始时,峰值摩擦能量119 kJ;当结构面1米离炮眼,摩擦能量峰值435 kJ,约为2.6倍的纯硬摇滚(3)如图15 (c)爆破过程,快速应变能增加5 ms之前,到达峰值应变能约为5 ms,和大幅减少5 ~ 7.5 ms。随着结构面方法炮眼,应变能开始腐烂。在纯硬摇滚起始时,峰值应变能是1260 kJ。当结构面1米离炮眼,峰值应变能是1030 kJ,由18%减毒纯硬摇滚

5.3.2。开始在软岩

在软岩起始时,动能的进化过程,摩擦能量,应变能在图所示17。

根据能量演化曲线,软岩的厚度对三种能源:几乎没有影响(1)如图(17日)动能的变化趋势类似于坚硬的岩石的爆炸。约为5 ms,动能的最大峰值出现。随着爆破过程的进行,动能振幅开始显著减少。斜行16种~ L10(代表 米)是用来适应振幅。当是常数,动能也振幅线性减少,和特定的减少值见表5。在软岩起始时,动能曲线至少有三个明显的振幅在任何情况下。与第一幅相比,第二振幅和第三振幅衰减了20%和56%,分别(2)如数据所示(17日)- - - - - -17 (c)和18摩擦,动能的变化趋势,能源,和应变能一样开始在坚硬的岩石,但增加了在三个能量峰值的影响很小。动能峰值、峰值摩擦能量和峰值应变能约43 kJ, 205 kJ,分别和105 kJ

6。讨论

根据实验结果得到的三个角裂纹的影响,岩体内部应力和能量场,爆炸位置和爆破孔之间的距离和结构面严重影响爆破特征。因此,爆破效果可以通过调整更可控的爆炸位置和炮眼和结构面之间的距离:(1)爆轰在坚硬的岩石和软岩的结果有很大的不同。爆炸在坚硬的岩石可以扩展裂纹的影响范围,增加裂缝的渗透率,加剧岩石的破坏。它更适合大面积爆破工程爆破工程。在软岩石爆破时,裂缝相对集中和裂缝的影响范围很小,这是更适合小面积爆破工程爆破。此外,在整个生产过程中爆轰在坚硬的岩石,岩体在高应力状态。在软岩石爆破时,整个岩体是在低应力状态,因此在软岩石爆破对围岩的影响不大(2)根据能量场演化的结果,当启动在坚硬的岩石结构面之间的距离和爆破孔小于2米,动能的变化幅度和能量峰值大,这将导致大的振幅振动整个岩体的岩体,甚至远。虽然这工作情况下的渗透效果很好,它也有一个伟大的对围岩的稳定性的影响。开始在坚硬的岩石结构面之间的距离和炮眼超过2 m,裂缝岩体的渗透也不错,和动能的峰值明显低于前者,不会导致大规模岩体遥远的振动(3)除了结构面位置的影响和爆炸位置爆破特点考虑,由于地层的复杂性,可能有很多因素,如关节的存在高温、高压下或资源开采。这些因素会影响应力波的传播和影响岩体的爆破特点,很难准确控制效果。基于复杂地层,进一步深入研究这些因素将在未来进行的阶段

7所示。结论

本文建立了岩石爆破数值模型采用颗粒流代码(土坡),和硬摇滚单孔爆破方法验证模型的合理性。在此基础上,介绍了软岩具有不同的厚度,和主要结论如下:(1)当开始在坚硬的岩石结构面是离炮眼,裂缝数量增加与软岩厚度的增长指数。当结构面在炮眼,裂缝数量大幅减少。在软岩起始时,裂缝的数量和状态是小受结构面位置的影响。基于前两个情况下,裂缝数量的变化规律与软岩厚度(2)当启动在坚硬的岩石和结构面约2倍的粉碎区半径从炮眼,随着爆破孔之间的距离的增加和水平监测,水平峰值应力先降低,然后增加。在这种情况下,岩体处于相对较高的应力状态。随着软岩厚度的增加 ,垂直峰值应力的指数形式衰减迅速在2倍的粉碎区半径。在软岩起始时,增加了 , 和迅速降低,然后增加(3)在坚硬的岩石开始时,存在结构面岩体将增加动能,至少有三个明显的振幅衰减过程中动能。与第一幅相比,第二振幅和第三振幅衰减了42%和65%,分别。在软岩起始时,动能峰值是由结构面位置的影响较小。还有至少三个明显的振幅动能衰减过程。与第一幅相比,第二振幅和第三振幅衰减了20%和56%,分别(4)开始在坚硬的岩石结构面是2倍的粉碎区半径从炮眼,三个能量变化很大。与纯硬摇滚情况相比,峰值动能增加了15倍,峰值摩擦能量增加了约2.6倍,和峰值应变能量变弱了18%。在软岩起始时,高峰值的三个能量相对稳定,变化影响较小的结构面

数据可用性

一些之前报道的数据被用来支持这项研究,可以在[doi:10.1038 / s41598 - 022 - 17028 - y]。之前的研究在相关地方引用的文本中引用(35]。和其他数据用于支持本研究的结果都包含在提交的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(52068066和52068066)和自治区研究生创新项目(XJ2022G050)。