测试方法的范围断裂带岩石边坡在爆破荷载

文摘

在工程爆破中,测定岩石爆破的范围断裂带爆破施工具有重要的指导意义。本文提出一种方法,可以直接获得准确、岩石爆破破裂带的范围。基于弹性波传播理论、测试棒的合适的材料选择和准备。一定数量的水井钻的后续插入测试棒的方向垂直于自由表面开挖爆破孔一定距离。根据现场爆破试验结果,最深的测试杆的断裂位置作为爆破破裂带的边界,和岩石爆破破裂带的范围。建立数值分析模型根据莫尔-库仑本构关系和冯•米塞斯屈服准则。然后,断裂带的范围,分析了断裂带的最大水平半径和获得。数值分析结果与现场实测数据进行比较。是表明,断裂带的范围由数值模拟得到的爆破试验结果具有很好的一致性,而且pre-embedded测试棒。研究结果可以提供参考的安全控制爆破开挖的岩石山坡上。

1。介绍

因为爆破开挖速度快的优点,效率高,低成本,它已广泛应用于岩石边坡开挖的过程和露天坑挖掘。然而,爆破必然影响和损害斜率。研究边坡最大水平半径和范围的断裂带可以指导现场爆破开挖和保留的完整性具有重要意义基础,确保工程安全。这也是一个工程社会普遍关心的问题。埋炸药时邻近地面自由表面,破裂的现象,鼓鼓囊囊的,会根据爆炸中心和自由表面之间的距离。利文斯顿(1爆炸深度分为四个区域。当爆炸损伤区深度的影响,地表岩石表现出膨胀和投掷,形成一个爆破漏斗。根据不同的爆破作用指数、爆破漏斗可以分为四种形式,即:,standard throwing blasting funnel, strengthened throwing blasting funnel, weakened throwing blasting funnel, and loosened blasting funnel. When the explosive explodes in the blast hole, a high-strength dynamic stress wave will be formed on the surface of the rock outside the blast hole, and then the stress wave will propagate as an elastic wave in the surrounding rocks, producing crushing zones, fracture zones, and vibration zones [2]。研究[3,4]表明,碎圆的半径是2∼3倍收费半径,但研究的结果之间的关系破裂带的半径和充电半径都是有争议的。

有关的理论描述岩体爆炸载荷造成的损害,目前主要由损伤变量量化。研究人员已经在这方面取得了一定进展。例如,泰勒et al。5,6)通过描述岩石的损伤变量定义骨折的统计分布特征,建立了相应的损伤模型。陈等人。7- - - - - -10)进一步自定义损伤变量,建立了损伤模型,考虑岩体的完整性,并进行了爆破损伤的研究范围。目前广泛使用的损伤模型包括Taylor-Chen-Kuszmaul (TCK)模型和杨模型11,12]。研究爆破损伤的范围通常是由现场试验和数值分析(13]。方面的实地测试,测试方法如岩石钻孔声波测试和钻孔电视被广泛用于确定损伤的范围和往往是方便的和有效的14- - - - - -18]。然而,声波测试方法需要水作为偶联剂,而井下电视的准确性方法需要进一步改进。这两种方法都需要提前储备洞,并不一定需要在实际爆破冲击波传播。数值分析,数值软件如ANSYS /一般ls - dyna和FLAC3D软件使用。基于·冯·米塞斯屈服准则,拉伸应力失效准则,或岩石的压应力失效准则,确定爆破损伤范围采用等效爆炸载荷,适当的爆破几何模型和本构模型,结合实际的边界条件和初始条件19,20.]。锅等。21相信有自由面爆破,岩石的失效模式主要是拉伸断裂。•冯•米塞斯屈服准则用作爆破荷载下岩石破裂的基础,和最优孔底部距离和最小阻力线。李等人。19)确定爆破损伤范围根据岩石的有效应力,结果相对准确。虽然相关研究多,由于复杂的产生机制和演化规律,爆破断裂区,有明显差异的范围断裂带。此外,有相对较少的研究理论的实际应用,介绍了应力波传播通过不同媒体之间的接口。

先前的研究结果的基础上,本文试图提出一个更精确的和直观的测试方法来确定岩石爆破破裂带的范围。在爆破孔附近的区域,pre-embedded测试杆钻的方向垂直于自由表面开挖。每个测试杆的断裂深度在不同爆破孔的位置是通过现场爆破试验,和范围的爆破荷载作用下岩石破裂带。结果将提供施工参考安全爆破开挖的岩石山坡上。

2。测试方法和原则

2.1。测试方法

根据波阻抗、抗压强度和岩石的动态抗压强度测试网站,选择适当的测试杆材料和测试棒在实验室相似材料准备。的比率的动态抗压强度测试杆的动态抗拉强度岩石需要接近应力波的透射系数之间的接口测试杆和岩石。传输系数的比值决定了波阻抗测试杆材料的岩石。

在一定距离爆炸洞,每一个测试孔钻的方向垂直于自由表面开挖。测试孔深度相同的钻孔和编号与爆破孔的距离增加订单。准备测试棒编号相应基于各自的测试孔。测试孔和爆破孔的直径由现场钻钻的直径略大于测试杆。每个测试杆后放入单独的测试孔,他们满是砾石之间的差距,这样测试杆与原岩密切接触。爆破后的最大破裂范围测试杆作为爆破岩石的破裂带的范围。

2.2。测试原理

岩石是在三维应力状态的张力和压缩。由于负载的影响,围岩处于强烈压缩状态。爆炸压力远远大于岩石的动态抗压强度。受到大爆炸压力和高温、高压的作用产生的爆炸性气体、岩石压碎。外的破碎区,岩石中的爆炸压力的动态抗压强度小于岩石和岩石中产生的拉应力大于岩石的动态抗拉强度。因此,岩石受到拉伸断裂(4]。约·冯·米塞斯屈服准则用于判断岩石是损坏的21]。径向应力和切向应力在任何时候在岩石中,如图1(22]。符号的规则是根据公约认为积极的张力。岩石的应力在任何时候可以表示如下: 在哪里•冯•米塞斯应力(MPa);径向应力的岩石(MPa);切向应力在岩石(MPa);和的法向应力沿纵轴钻孔(MPa)。

根据·冯·米塞斯的标准,有不平等表达的方程(2)。当岩石的应力在任何时候满足方程(2),岩石将被破坏4]。 在哪里是岩石的动态抗拉强度(MPa)和是岩石的动态抗压强度(MPa)。岩石的动态抗拉强度通常是由 ,在哪里是岩石的静态抗拉强度。岩石的动态抗压强度随加载应变率的增加(4]: 在哪里是岩石的静态抗压强度(MPa)和岩石的应变率加载吗 。

如图2,当爆炸应力波通过之间的接口测试杆和岩石,发生反射和透射。当一个从一个介质弹性应力波传播到另一个介质,应力波的反射和传输将发生在两个媒体的接口。根据牛顿第三定律(4), 在哪里和压力反射波和粒子的透射波压力两边的界面,分别和是粒子的入射波压力(MPa)。 在哪里分别是反射系数和透射系数;和是原始介质的密度和其他媒介 ,分别;和是原始介质的纵波速度和其他媒介 ,分别;和的比例是这两种媒体的波阻抗。

自测试杆的抗压强度远小于岩石的现场,爆炸后的应力波传播的强度应力波经过测试杆和岩石之间的界面的动态抗压强度远远大于测试杆。因此,测试杆将主要受到压缩失败。当原始现场岩石在测试杆的位置,应力波传递的强度小于岩石的动态抗压强度。因此不能直接粉碎的岩石。然而,它仍然可以破坏岩石。相对较大的径向压缩结果在径向和切向拉伸压缩病毒周围的岩层破碎区。一旦生成的切向拉应力大于岩石的动态抗拉强度、径向裂缝将生成,形成断裂带。因此,相对应的原始岩石杆位置主要受到拉伸断裂。

当的比率的动态抗压强度测试杆的动态抗拉强度岩石和透射波压力的比值(即入射波的压力。,transmission coefficient) are close, it can be considered that the fracture position of the test rod under the blasting load and its corresponding field rock is the same, so the fracture position and fracture range of the test rod can be used to judge the fracture range of the rock on-site.

3所示。现场爆破试验

3.1。项目概述

石灰岩矿在巴中、四川,是一个山坡露天矿。我主要收益率石灰石和燧石灰岩。岩体在矿区急倾斜分层结构。骨折通常是发达的,但连通性差,无二次折叠和错误。岩层的完整性是好的,地质构造相对简单。爆破方案采用自顶向下的露天采矿方法和水平的步骤,遵循的原则,同时矿业和剥离,剥离。现场爆破试验选择与海拔1278米,平台和测试位置如图3。有一定厚度(约5厘米)的神气活现的细砾石表面上(见图4),但是这个平台的表层土壤的厚度相对于孔深度是可以忽略的。

3.2。钻探和爆破参数

现场爆破试验使用2 #岩石乳化炸药,钻探和爆破参数如表所示1。石灰岩的岩石的物理力学参数通过实验室测试如表所示2。的值和表中列出2通过三轴压缩试验在自然状态的石灰岩。天然岩石样本在五围压(即测试。、2 MPa、4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 10 MPa)。莫尔圆和获得强度参数在图所示5。

3.3。参数的确定测试杆

在现场爆破试验,石膏杆是用作测试杆。石膏棒是由一定的重量比混合石膏和水。三种石膏棒是由采用water-gypsum比率为0.7,1.0,和1.3,分别。石膏的物理参数与三个water-gypsum棒比例如表所示3。

的纵波速度应力波在弹性介质如下: 在哪里介质中纵波速度吗 ; 是介质的弹性模量 ;和介质的密度吗 。

在工程爆破中,加载速率在压碎区高,这是作为 。当石膏杆位于外压碎区,加载率进一步下降。根据现场测试的条件,负载率作为 。石膏杆的动态抗压强度可以得到方程(3)。从方程(6),它可以派生的纵波速度石膏棒water-gypsum比率为0.7,1.0和1.3 , ,和 ,分别。

岩石的纵波速度测量的声波测试现场 。现场岩石的动态抗拉强度决定 ,静态抗拉强度的值从实验室抗拉强度测试结果列在表2。使用方程(5),波阻抗比, ,和透射系数, ,石膏棒不同water-gypsum比率和原岩的接触表面。的动态抗压强度的比值石膏杆的动态抗拉强度岩石可以计算。计算结果列在下表中4。

从表可以看出4当水石膏的比率是1.0,透射系数是0.247,接近的动态抗压强度的比值石膏杆的动态抗拉强度岩石吗 。因此,石膏杆water-gypsum比率为1.0场测试的选择。

测试棒的制备过程如下。(1)与PVC管的长度1.0米,内径0.14米被切断,沿着中线分成两半。后刷一层油管道的内侧,然后用胶带粘合的受伤。(2)PVC管的一端是封闭的,和一个铁丝固定在密封的中心。(3)石膏泥浆涌入PVC管。灌浆时,铁丝是保存在一个集中和紧张的状态,而振动,搅拌直到均匀形成石膏。(4)石膏棒取出,自然治愈了7天。两个1.0米长度石膏棒连接到一个2.0米长的石膏杆通过嵌入式铁丝。

3.4。爆破测试

从爆破孔的距离1.0米,测试孔钻的方向垂直于自由表面附近的挖掘。现场爆破试验,定向角之间的连接线路爆破孔和最近的测试孔是60°。测试孔间距是0.6米。在测试前,准备石膏棒被数1∼4根据他们的距离从遥远的附近爆破孔。石膏杆的直径是0.14米,和测试和爆破孔都是2.0米深的洞。现场的布局浅孔爆破测试如图6爆破测试前,石膏棒图所示7。

3.5。结果分析

现场爆破试验后,自由表面破裂带的顶部钻孔图所示8,破裂范围的石膏杆如图9。

从图可以看出8爆炸中心的埋深1.2米的撞击破坏区,形成一个松散的爆破漏斗(1],膨胀发生在表面的斜率。最长的径向裂缝现场测量长度是3.16米,这是爆破孔的半径约20倍。环形断裂的距离接近的炮眼爆破孔测量现场的周长是0.224米,这是爆破孔的半径约3倍。因此,测试结果符合一般爆破法律领域。

在图9(一个),石膏棒1∼4号从右到左。由于1号和2号石膏棒非常接近爆炸洞最受爆破影响,下半部分在测试孔和没有提取。破裂的测量位置如图9 (b)。从图可以看出93号石膏杆的断裂深度为1.445米,上部坏了;4号石膏杆的断裂深度是0.3米。因为有骨折石膏3号杆下部的1号和2号石膏棒更接近爆炸洞,可以推断出,有骨折在上下部分1号和2号石膏棒。根据每个石膏杆的断裂深度,可以得出结论:骨折石膏杆随深度的增加距离爆炸中心在爆破过程中,岩石断裂范围是漏斗形。

4所示。数值模拟

结合现场试验和数值分析可以更准确地再现爆破荷载作用下岩石的损伤范围。因此,数值分析进一步验证的准确性进行使用测试杆获得原始岩石的断裂范围现场爆破荷载下。

4.1。爆破荷载

Chapmam-Jouguet (C-J)理论可以定性解释炸药爆炸的物理现象。爆炸的C-J模型作为爆震表面突然接口(4爆炸没有厚度和反应物之间的]。C-J条件下,平均瞬时凝聚炸药爆轰压力, ,表示如下: 在哪里是炸药密度;是爆炸性的速度;是一个常数与凝聚炸药的性质和电荷密度,和值是2∼3。2号岩石乳化炸药 , ,和 。

冲击压力峰值, ,表示如下: 在哪里是岩石密度 和是测量岩石的纵波速度, 。

现场爆破试验采用电荷耦合结构和使用三角形荷载近似爆破荷载。爆破孔壁的冲击压力加载曲线可以简化为三角形荷载曲线,如图10。

爆炸荷载增加迅速目前爆破,假设爆炸荷载的上升时间等于爆轰波的传播时间(23),即: 在哪里的长度。

的比值上升时间的总操作时间常用三角爆炸载荷(23)是 (问电荷剂量;见表1)。爆炸荷载的总操作时间可以通过以下方程:

通过方程计算(9)和(10),现场的上升时间石膏杆测试负载 。总加载时间 。

4.2。计算模型

4.2.1。准备本构模型

假设岩石是一种各向同性材料,采用莫尔-库仑本构模型在这个工作分析本构岩石材料的应力-应变关系。

4.2.2。模型尺寸和边界条件

为了简化计算,1/4缸作为计算模型基于对称。为了减少模型边界的影响,基于破碎带的大小和产生的断裂带岩石爆破,1/4圆柱的半径8.0米和8.0米的高度作为模型来模拟爆破。爆破孔半径将根据实际现场几何0.07米。垂直水平位移模型的边界限制。较低的垂直位移边界限制。圆周边界采用静态粘性边界减少边界反射波对计算结果的影响。水平面顶部设置为自由表面,和每个边界上的粒子速度的初始状态设置为0。

4.2.3。阻尼

在大应变的动态分析,只需设置一个很小的阻尼比可以满足要求。瑞利阻尼(3)选择在这工作,并将其值设置为0.005。

4.2.4。啮合

网格的大小对数值模拟的结果有很大的影响。达到不错的准确性,下面的关系(3必须满足: 在哪里网格大小和吗相对应的波长是最高频率吗这意味着可观的能量, ,在哪里是相应的波速。

爆破振动速度波形和主导频率是通过采用爆破振动测试仪(ubox - 5016;参见图11)。现场爆破振动速度波形在水平径向、水平切向和垂直方向如图所示12。

从图可以看出12这三个方向的最大优势频率 ,大约代表最高的频率 。相应的波速大约是由纵波速度的岩石 来衡量。然后获得波长, 。根据方程(11),∆l≤(1/8∼1/10)和λ=(11∼14米)。

采用圆柱形外壳建模方法。壳牌的内外半径0.07米和8.0米,分别。径向网格元素的数量是20,和单个网格的大小增加了从中心向外的比率1.1。垂直平面均匀分成10个网格元素在一个2米的深度。在下面的深度范围2 m,单个网格的大小下降增加了1.05的比率。向心的一部分外壳低于2米的深度。2米深度内的对手不是储备了爆炸洞。填充部分的半径为0.07米。径向网格的数量是2,和网格划分方法是一样的,下面的壳2米的深度。同时,环部门同样分成30个部分。 The portions closer to the blast hole are divided more densely so as to ensure the accuracy of the calculation results and reduce the calculation convergence time. The minimum size of the model mesh is 0.03 m, and the maximum mesh size is 0.85 m. The numerical analysis model is shown in Figure13。红色部分是爆破孔。

4.3。结果分析

•冯•米塞斯屈服准则是用作岩石破裂准则来描述岩石破裂带的数值分析。数据14和15显示岩石断裂带的演化过程与时间在水平和垂直平面,分别。

从数据可以看出14和15下的岩石爆破的断裂范围随时间负载的增加。3.0毫秒后,骨折的范围基本上是保持不变,爆破产生的应力逐渐变弱。因此,数值分析结果在3.0毫秒作为岩石破裂带的范围。数值分析和测量结果的比较如图16。

从图可以看出16的裂缝深度1∼4号石膏棒2.353米,2.161米,1.572米,0.354米,分别。测量裂缝深度的3号和4号石膏棒接近数值分析结果、数值分析结果之间的相对误差和石膏棒的测量结果是不超过18%,满足工程精度的要求。同时,相对应的裂缝深度1号和2号石膏棒从数值分析都大于2.0米,表明的上半部分和下半部分都部分的1号和2号石膏棒坏了,和测量裂缝深度的降低部分石膏棒都大于2.0米。因此,钻孔pre-embedded石膏杆测试可以相对准确和直观地反映了岩石爆破荷载下的临界裂缝深度,从而获得岩石破裂带的范围。

5。结论

本文提出一种方法,可以直接获得准确、断裂带的范围下的岩石边坡爆破加载。方法的基本原理,嵌入式测试棒钻钻孔和爆破荷载是基于应力波的反射和透射理论不同的媒体接口。根据现场爆破试验和数值模拟了在这项研究中,可以得出以下结论:(1)基于应力波的透射系数之间的亲密通过测试rod-rock接口和动态抗压强度的比值测试杆的动态抗拉强度的岩石,爆破后的测试棒的断裂范围的范围可以作为边坡爆破后的围岩破裂带。(2)现场爆破试验,围岩爆破破裂带的范围符合一般分布格局的爆破荷载下的围岩破裂带。(3)现场爆破试验结果之间的相对误差和数值分析结果小于18%,表明该检测方法具有良好的精度。本文中描述的测试方法采用浅孔爆破,这种方法也适用于深孔爆破。

数据可用性

数据集用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。51909192)的开放项目磷资源开发利用工程研究中心教育部(没有。LKF202004)。

引用

1. c·w·利文斯顿,”基本概念的岩石的失败”科罗拉多矿业学院的季度,51卷,不。3、1 - 11,1956页。视图:谷歌学术搜索
2. 惠普Rossmanith、k . Uenishi和n . Kouzniak“冲击波传播在岩石mass-part我:整体媒介,“Fragblast,1卷,不。3,第359 - 317页,1997年,在中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. x夏”,研究损伤特征和岩石爆破振动的安全阈值,“博士学位论文,岩土力学研究所、中国科学学术,武汉,中国,2000年,在中国。视图:谷歌学术搜索
4. j .戴动态行为和爆破理论的岩石,冶金工业出版社,北京,中国,2013年,在中国。
5. l·m·泰勒E.-P。陈,j . s . Kuszmaul“Microcrack-induced动载下岩石脆性损伤积累,”计算机在应用力学和工程方法,55卷,不。3、301 - 320年,1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. r·杨,w . f . Bawden和p·d·Katsabanis“爆炸伤害,新本构模型”国际岩石力学和采矿科学和地质力学学报文摘,33卷,不。3、245 - 254年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j . j . Chen张、李x”岩石blasting-induced爆破开挖损伤区下的大坑,”中南大学学报(科技)卷,47号11日,第3817 - 3808页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. b·j·索恩p . j . Hommert和b . Brown声称,“实验和计算的基本调查,”成坑的机制美国桑迪亚国家实验室,阿尔伯克基纳米,1990。视图:谷歌学术搜索
9. j . Lemaitre“如何使用损伤力学,”核电工程和设计,卷80,不。2、233 - 245年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. y, z邵,j . Mi, x,”效应blast-induced相邻孔的应力集中在岩石爆破,”土木工程的发展ID 5172878条,卷。2018年,13页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. y z l . Wang c·李,r·f·沈”数值模拟脆性岩石拉伸损伤和弹坑的由于地下爆炸,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上,44卷,不。5,730 - 738年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 刘和p·d·Katsabanis .“发展连续损伤模型的爆破分析,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,34卷,不。2、217 - 231年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. b . Mobaraki和m . Vaghefi”数值研究的深度和横断面形状下的隧道表面爆炸,”隧道与地下空间技术47卷,第122 - 114页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. j·h·威廉姆斯和c·d·约翰逊”,声学和光学裂隙岩体含水层研究井壁成像”应用地球物理学杂志,55卷,不。1,第159 - 151页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. y Kanaori”,观察周围的裂纹发展地下岩石钻孔电视系统室,“岩石力学和岩石工程,16卷,不。2、133 - 142年,1983页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k·j·坎宁安,“应用探地雷达,数字光井眼图像,和核心特征的孔隙渗透系数和比斯坎湾古喀斯特含水层,佛罗里达东南部,美国“应用地球物理学杂志,55卷,不。1 - 2、61 - 76年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 射线和s . Dauji“地下爆炸地面振动衰减的关系:一个案例研究中,“工程师(印度)的机构:杂志系列,系列。,卷100,不。4、763 - 775年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 方y, z姚明,w·加布里埃尔”评估blast-induced损伤的影响在岩石上负载由班轮的深竖井工程:一个案例研究的通风井micangshan公路隧道项目,“土木工程的发展卷,2020篇文章ID 9068345, 19页,2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. x李、陈和李y”研究的地下厂房爆破损伤范围和标准stati溪洛渡力量,”中国岩石力学与工程学报卷,29号10日,页。2042 - 2049年,2010年,在中国。视图:谷歌学术搜索
20. 吴x, y, r . Li g .赵、张问:“爆破损伤深度分层有节的玄武岩灌浆前后,“岩土和Geoenvironmental工程杂志》上,卷145,不。第三条ID 04018113, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. m .锅和施x, y . Wu”数值模拟以铅锌矿山中深孔爆破参数,“挖掘技术,13卷,不。5,页87 - 89,2013年,在中国。视图:谷歌学术搜索
22. x王”,研究下岩体爆破损伤范围的影响,“《工程地质,22卷,不。2、233 - 237年,2014页。视图:谷歌学术搜索
23. j·杨,w . Lu和m .陈“爆炸荷载的确定变异的枪洞,”第二届全国工程安全和保护学术会议,第777 - 773页,北京,中国,2010年8月,在中国。视图:谷歌学术搜索

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