圓柱形的巖石爆破損傷數(shù)值研究(共15頁(yè))

1、國(guó)際(guj)巖石力學(xué)與工程科學(xué)雜志 2008年第45卷 第111-121頁(yè)圓柱形的巖石(ynsh)爆破損傷數(shù)值研究朱哲明a,謝和平(hpng)a Bibhu Mohantyb a四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，中國(guó)，610065b多倫多，多倫多大學(xué)土木工程系，加拿大M5S 1A4摘 要 為了研究巖石在動(dòng)態(tài)負(fù)載下斷裂和失效機(jī)制，使用AUTODYN代碼建立一個(gè)帶有中心圓孔圓柱形巖石模型。根據(jù)材料特性和載荷條件,線性、沖擊、壓縮和理想氣體4種狀態(tài)方程（EOS），適用于在該數(shù)值模型中的四種材料。修改后的主應(yīng)力失效準(zhǔn)則確定材料狀態(tài)，良性炸藥，PETN，相對(duì)均勻的巖漿巖，閃長(zhǎng)巖，被用在這個(gè)巖石模型。點(diǎn)

2、燃位于中央的炸藥使其對(duì)周圍巖石生產(chǎn)動(dòng)態(tài)載荷。這個(gè)數(shù)值模式應(yīng)用到實(shí)際的爆破條件。首先分析動(dòng)態(tài)負(fù)載下的巖石破裂機(jī)制，然后討論以下因素對(duì)巖石斷裂的影響：（1）耦合介質(zhì)，（2）約束，（3）邊界條件，（4）炸藥柱起始位置及（5）空氣起伏。結(jié)果表明，所有這些因素對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載下的巖石破裂有顯著的影響。關(guān)鍵詞 動(dòng)態(tài)斷裂 爆破數(shù)值模型應(yīng)力波裂紋擴(kuò)展1 引言巖石開(kāi)采和采礦中大規(guī)模的巖石爆炸是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。爆炸的效率依賴于炸藥的爆轟性能和圍巖響應(yīng)的知識(shí)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)1-3和實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)4已證明,鉆孔周圍巖石斷裂和破碎的過(guò)程強(qiáng)烈地依賴于炸藥的參數(shù)和巖石的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。炸藥的爆轟性能包括的爆炸壓力，時(shí)間關(guān)系，和傳遞到巖石的總能量

3、。巖體對(duì)隨時(shí)間變化的高振幅應(yīng)力的響應(yīng)更加復(fù)雜，因?yàn)樗兄黧w巖石的應(yīng)變率相關(guān)特性是不知道的。在這種情況下，有必要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究和數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的研究的數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)使用數(shù)字模型，可以數(shù)值模擬研究巖石斷裂和破碎的過(guò)程，從而更好的了解控制爆炸結(jié)果的的主要參數(shù)。Grady和Kipp5采用斷裂和應(yīng)力波傳播耦合，定量預(yù)測(cè)爆炸載荷條件下的斷裂和破碎。Stecher和Fourney6聯(lián)合能量釋放率與裂紋擴(kuò)展速度有關(guān)的斷裂準(zhǔn)則，用一個(gè)二維有限差分計(jì)算機(jī)程序預(yù)測(cè)爆炸載荷下裂紋的萌生和拓展。Nilson等人7開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，來(lái)預(yù)測(cè)來(lái)自加壓鉆孔氣體驅(qū)動(dòng)斷裂的傳播，其計(jì)算峰值壓力，壓力衰減時(shí)間，斷裂程度與燃料驅(qū)

4、動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)幾套數(shù)據(jù)有很好的一致性。為了模擬的飛行距離，爆堆和剩余巖體的失效，Munjiza和歐文Owen8開(kāi)發(fā)了巖石爆破離散元模型。在他們的模型中，考慮堅(jiān)硬的巖石和爆轟氣體之間的相互作用，以評(píng)估引爆氣體的壓力。接著，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)瞬態(tài)壓裂固體的有限離散元模型9。Preece 和Thorne10采用三維有限元技術(shù)和損傷本構(gòu)模型研究爆轟時(shí)間和破碎。Donze等人11采用了基于離散元模型，研究了爆炸動(dòng)態(tài)加載下應(yīng)力波對(duì)徑向裂紋的萌生和擴(kuò)展的重要性。Ma等人12 使用AUTODYN代碼，模擬地下爆炸引起沖擊波通過(guò)巖體中的傳播。其數(shù)值結(jié)果與獨(dú)立進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試獲得的結(jié)果極其相近。為了驗(yàn)證鉆孔擊穿誘發(fā)的動(dòng)態(tài)斷

5、裂機(jī)制，Cho和Kaneko13 建立數(shù)值模型分析不同的井眼壓力動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程。通過(guò)使用電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽代碼，Chen 和Zhao14模擬節(jié)理巖體中爆炸波傳播，Gong等人15-16 使用TBM滾刀研究縫間距和方位與巖石碎片的關(guān)系。普遍認(rèn)為,在巖石(ynsh)爆破中，應(yīng)力(yngl)波和爆炸氣體的壓力兩種類型的載荷(zi h)，操作周圍的巖石17-20。應(yīng)力波從引爆鉆孔里炸藥柱開(kāi)始向外傳播，它后面緊跟著一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的氣體壓力荷載21-22。兩個(gè)負(fù)荷在巖石斷裂和破碎發(fā)揮非常重要的作用。本文研究將集中在應(yīng)力波加載過(guò)程，因?yàn)樵谖覀儗?duì)爆破破巖的理解中，應(yīng)力波作用下巖石破裂是關(guān)鍵的一步。應(yīng)力波載荷下破裂過(guò)

6、程被認(rèn)為是所有后續(xù)裂紋擴(kuò)展的性質(zhì)的關(guān)鍵階段作，分支和合并將主要受應(yīng)力波加載所產(chǎn)生的初始裂紋模式。這些理論在實(shí)際爆破巖石斷裂和破碎的控制和預(yù)測(cè)具有非常重要的作用。在這項(xiàng)研究中應(yīng)用AUTODYN的數(shù)值代碼23-24，它是通常用于解決各種各樣的固體，液體和氣體動(dòng)力學(xué)非線性問(wèn)題的有限差分法的代碼。AUTODYN代碼已經(jīng)被Ma等12Zhu等人25成功地應(yīng)用在研究巖石破裂中。在本文研究中，應(yīng)用拉格朗日處理方法，對(duì)于空氣耦合的情況，應(yīng)用非常適合模擬的流體和氣體流動(dòng)問(wèn)題的歐拉法處理。更多關(guān)于子網(wǎng)格交互，如拉格朗日-拉格朗日和拉格朗日-歐拉耦合之間的相互作用，可以在文獻(xiàn)2324中查找。AUTODYN代碼中所采用

7、的控制方程有質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒。為了研究應(yīng)力波加載作用下巖石動(dòng)態(tài)斷裂機(jī)制，Zhu等人25 通過(guò)使用AUTODYN代碼開(kāi)發(fā)了一個(gè)中間單一鉆孔的圓形巖石的動(dòng)態(tài)數(shù)值模型。在爆破過(guò)程中三種基本的斷裂帶，即破碎帶、裂隙帶和鉆孔周圍初期破裂區(qū)以及圓周剝落裂縫，已經(jīng)被成功地模擬。并對(duì)爆破荷載作用下的斷裂機(jī)制進(jìn)行了分析，巖石斷裂的影響因素進(jìn)行了討論。本文將繼續(xù)以前研究，這里考慮的模型是一個(gè)圓柱形的巖石中含有一個(gè)單一的中央位置的線源的爆炸。根據(jù)載荷條件和材料特性，線性，沖擊，壓縮和理想氣體4種狀態(tài)方程（EOS），施加到該數(shù)值模型中采用的四種材料。修改后的主應(yīng)力失效準(zhǔn)則確定物質(zhì)狀態(tài)，這是適合用來(lái)描述材料

8、的拉伸失效或剪切失效。從位于中心的單一線源爆炸產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)荷載用數(shù)值表示。為了盡量減少炸藥和巖石的各種變量和相關(guān)的不確定性，在這個(gè)模擬中用良性的炸藥，PETN，和一個(gè)相對(duì)均勻的巖漿巖，閃長(zhǎng)巖。介紹從爆炸開(kāi)始隨時(shí)間變化的巖石模型的材料狀態(tài)和分析巖石破裂機(jī)制。最后，研究一些因素對(duì)巖石破裂的影響，并提出一些結(jié)論。在整個(gè)工作，拉伸應(yīng)力為正，壓縮應(yīng)力為負(fù)。2 一個(gè)圓柱形的巖石模型在這項(xiàng)研究中，有一個(gè)圓柱形的巖石中含有一個(gè)單一的位于中心的線源的爆炸和耦合介質(zhì)（參見(jiàn)HYPERLINK /science/article/pii/S1365160907000731 l fig1圖1）。筒狀的巖石測(cè)量直徑100毫米

9、和長(zhǎng)度130毫米。炸藥的線源包含一個(gè)核心負(fù)載PETN炸藥（1.1克/米，直徑1.08毫米），由薄的聚乙烯護(hù)套包圍，總直徑為2.36毫米。耦合介質(zhì)被填充在井眼壁與炸藥之間的地方，它可以減少隨后高壓爆炸氣體對(duì)裂縫進(jìn)一步發(fā)展的影響。這是因?yàn)楸疚牡哪康氖茄芯繘_擊或應(yīng)力波誘發(fā)巖石開(kāi)裂，而不是爆炸氣體迫使巖石開(kāi)裂。因?yàn)槟Ｐ褪嵌S軸對(duì)稱的，筒狀的巖石的軸向截面被選作二維計(jì)算模型。為了限制鉆孔中所產(chǎn)生的的爆炸氣體，填充材料被放置在鉆孔的任一端或兩端。未限制的狀態(tài)表示爆氣體的條件下在鉆孔的開(kāi)口端允許逃脫。在后者的應(yīng)力波作用下巖石破裂情況，將所得的斷裂模式的主要機(jī)理。圖1的圓筒狀的巖石中含有(hn yu)一個(gè)位于

10、中心的導(dǎo)爆索的示意圖;耦合介質(zhì)填充在炸藥(zhyo)和鉆孔壁之間的地方，單位(dnwi)為毫米。在這個(gè)模擬中選擇一個(gè)相對(duì)均勻的巖漿巖，閃長(zhǎng)巖，它們的一些基本性能在文獻(xiàn)25中可查詢。閃長(zhǎng)巖的參數(shù)是：密度是3.16克/厘米，P波速度為5.77公里/秒，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度為112.8兆帕，體積彈性模量為52.4 GPA，剪切模量為39.6 GPA和動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度為265兆帕。在下面的仿真中，參數(shù)是相同的，除非另有規(guī)定。在該仿真中，應(yīng)用，線性，沖擊，壓縮和理想氣體4種狀態(tài)方程，在文獻(xiàn)25中有對(duì)狀態(tài)方程的討論。由于少量的炸藥和應(yīng)用耦合介質(zhì)，對(duì)標(biāo)點(diǎn)的巖石所產(chǎn)生的壓力是比較低的，因此，為標(biāo)點(diǎn)的巖石采用用線性方程，這

11、是適用于小變形動(dòng)力學(xué)問(wèn)題23的。就在炸藥附近的聚乙烯（導(dǎo)爆索鞘）和水（耦合材料）的材料，采用沖擊狀態(tài)方程。砂的耦合材料，采用壓縮狀態(tài)方程，它更適合多孔材料。如果在空氣中的物質(zhì)，采用理想氣體的狀態(tài)方程。在應(yīng)力波傳播的過(guò)程中，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力，巖石材料由于拉力或剪切導(dǎo)致失效，因此，用改進(jìn)的的主應(yīng)力失效判據(jù)確定材料的狀態(tài)，這是符合合材料的拉伸失效或剪切失效。修改后的主應(yīng)力失效準(zhǔn)則規(guī)定，單元主應(yīng)力或最大剪應(yīng)力超過(guò)材料的拉伸強(qiáng)度或剪切強(qiáng)度時(shí)單元失效。單元失效以后，將不能夠維持任何拉伸和剪切載荷，但它仍然是能夠承受壓縮載荷23。一個(gè)失效的單元壓應(yīng)力x和y必須是相同的，即，x=y。這是因?yàn)槭У膯卧?/p>

12、能維持任何剪切應(yīng)力（即= 0），則相應(yīng)的莫爾圓將成為一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)單元瞬時(shí)幾何應(yīng)變大于一定值時(shí)，即該單元是嚴(yán)重變形，該單元將被刪除，它的質(zhì)量和能量將被轉(zhuǎn)移到其相鄰的單元。3 仿真結(jié)果基于狀態(tài)方程，失效準(zhǔn)則，和在第2節(jié)中相關(guān)的參數(shù)，使用圖1中所示的圓筒狀的巖石模型，應(yīng)用AUTODYN代碼23，研究下列主題。3.1 爆炸開(kāi)始后隨時(shí)間變化的材料狀態(tài)為了說(shuō)明在動(dòng)態(tài)(dngti)荷載下的巖石的斷裂(dun li)機(jī)制，在鉆孔(zun kn)中的炸藥爆炸開(kāi)始后隨時(shí)間變化的材料狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果列于圖2。在的八個(gè)標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)，記錄應(yīng)力的變化，可以分析巖石斷裂機(jī)理。由于這里討論的模型是有限的長(zhǎng)度和存在反射面的，爆轟的材

13、料狀態(tài)的變化沿縱向軸線移動(dòng)，但它仍然是軸向?qū)ΨQ的。從2可以看出，它的失效模型的右側(cè)附近的區(qū)域的強(qiáng)度比上面的左側(cè)是比較突出的。這是因?yàn)榫鄹浇挠覀?cè)的壓力大于啟動(dòng)開(kāi)始的左側(cè)附近的壓力。這與Ouchterlony的結(jié)果26相符。由于高的徑向壓縮應(yīng)力產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展。在剪切失效區(qū)，巖石粉碎嚴(yán)重。剪切失效區(qū)之外，也有拉伸應(yīng)力引起的拉伸失效區(qū)，通?？梢詺w納為三種不同的類型。圖2爆炸開(kāi)始后隨時(shí)間變化的材料(cilio)狀態(tài);炸藥鉆孔具有相同(xin tn)的長(zhǎng)度，在八個(gè)標(biāo)點(diǎn)(biodin)點(diǎn)的記錄應(yīng)力的歷史，季戊炸藥產(chǎn)品（氣體）的發(fā)出鉆孔這里就不介紹了。類型 = 1 * ROMAN I：失效

14、區(qū)包括裂紋，它們垂直于該筒狀的巖石的軸，是拉伸應(yīng)力x引起的。對(duì)于那些圓筒的端部附近的裂縫，它們是由反射的應(yīng)力波造成，這些裂縫通常稱為剝落裂紋。柱面右側(cè)結(jié)束的反射面剝落裂縫的強(qiáng)度比上面的起始端引爆時(shí)更突出。這是可以預(yù)料的，由于右側(cè)端附近積累的沖擊波比左端附近更密集。類型(lixng) = 2 * ROMAN II：它們(t men)平行于筒狀的巖石(ynsh)的軸線，由反射應(yīng)力y所造成的，因此， = 2 * ROMAN II型裂紋也被稱為剝落裂紋。應(yīng)當(dāng)指出，剝落的程度將依賴于標(biāo)點(diǎn)巖石的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度和應(yīng)力波行進(jìn)的距離。對(duì)于非常大的直徑筒或具有一個(gè)更高的拉伸強(qiáng)度，它是可以不有任何剝落裂縫的。類型II

15、I：與圖2中的灰色的失效區(qū)包括只是一個(gè)裂紋的表面。此裂紋在軸向截面平面內(nèi)，它是由周向應(yīng)力造成的?？梢钥紤]這條裂縫（裂紋的長(zhǎng)度和形狀的平均）典型的III型裂紋，這可能發(fā)生在在三維模型中的任何軸向截面平面。我們不能呈現(xiàn)這種裂紋張開(kāi)位移（像前兩種類型的裂紋）由于二維模型的限制。因?yàn)樗禽S對(duì)稱問(wèn)題，我們只能夠取得周向應(yīng)力和材料的狀態(tài)。III型裂紋往往在石油管道和水管觀察到。但是，因?yàn)樵诩虞d的差異，裂縫通常開(kāi)始在管的外表面然后向內(nèi)表面?zhèn)鞑ァＦ鋵?shí)，圓形巖石模型（平面應(yīng)變問(wèn)題）25采用的是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)圓柱形的巖石模型。本文研制的圓柱模型是有限的，相比，前者很短。因此，使用前模型計(jì)算累積損傷比使用圓柱形模型較為

16、密集。目前，閃長(zhǎng)巖的巖石強(qiáng)度與應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)關(guān)系是不可用的，因此，我們必須選擇一個(gè)恒動(dòng)強(qiáng)度。如果單元?jiǎng)討B(tài)強(qiáng)度，根據(jù)單元的應(yīng)變速率加載，材料失效模式可能會(huì)改變。為了做這樣的研究，必須首先獲得標(biāo)點(diǎn)巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系。應(yīng)力波（或反射的應(yīng)力波）隨著時(shí)間的推移振幅減小，進(jìn)一步碎裂過(guò)程中它們的作用就逐步替換成裂縫里爆炸氣體的膨脹。3.2 剪切失效區(qū)如圖2所示，標(biāo)點(diǎn)3(x=52.5,y=6.61)在鉆孔附近，并在剪切斷裂帶里。圖3顯示正應(yīng)力x和y，始終為壓應(yīng)力。時(shí)間為10微秒時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)標(biāo)點(diǎn)3。由于標(biāo)點(diǎn)3在鉆孔附近，開(kāi)頭應(yīng)力x是大于y的，但在10.35微秒時(shí)，y超過(guò)x。這是因?yàn)榘l(fā)生爆炸達(dá)到低于標(biāo)點(diǎn)

17、3的地方。x和y之間的最大差異發(fā)生在10.46微秒的時(shí)間，在下一時(shí)間，不同消失，它們是相同的。同時(shí)，在10.46微秒的時(shí)間，在最大剪切應(yīng)力12達(dá)到它的最大值為266.1 兆帕斯卡時(shí)，大于該巖石的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，為265 兆帕斯卡，因此，該包含標(biāo)點(diǎn)3的單元剪切失效。單元已經(jīng)出現(xiàn)失效后，剪切應(yīng)力12和xy下降到零，根據(jù)失效準(zhǔn)則是適用于該數(shù)值模型。圖3剪切破碎(p su)帶包含標(biāo)點(diǎn)(biodin)3的單元(dnyun)中單元?jiǎng)討B(tài)應(yīng)力（即在正應(yīng)力x和y，剪切應(yīng)力xy和最大剪應(yīng)力12）與時(shí)間的關(guān)系。3.3 I型失效區(qū)標(biāo)點(diǎn)5(x=53,y=37.9)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力x和隨時(shí)間變化的如圖4所示（因?yàn)閥是無(wú)意義的，所

18、以沒(méi)有顯示）。可以看出，在初始階段的兩個(gè)應(yīng)力是壓縮，然后隨著時(shí)間的增加，改變?yōu)槔?。?2.98微秒的時(shí)間，拉伸應(yīng)力x達(dá)到其最大值，由拉力造成的單元失效，通過(guò)裂紋就能看出。同時(shí)，在22.98微秒的時(shí)周向應(yīng)力也是拉伸應(yīng)力是96.09兆帕斯卡。這表明，如果這個(gè)單元第一次沒(méi)有因?yàn)閤失效，周向應(yīng)力可能導(dǎo)致失效。單元已經(jīng)出現(xiàn)失效后，由于修改后的主應(yīng)力的失效準(zhǔn)則的應(yīng)用，正應(yīng)力x，是相同的。圖4包含(bohn)標(biāo)點(diǎn)(biodin)5的單元(dnyun)中單元?jiǎng)討B(tài)應(yīng)力（即正應(yīng)力x和）與時(shí)間的關(guān)系。包含標(biāo)點(diǎn)2或標(biāo)點(diǎn)7單元失效，是因?yàn)閺淖杂蛇吔绶瓷鋺?yīng)力波 HYPERLINK /science/article/pi

19、i/S1365160907000731 l fig5 圖。如圖5所示的應(yīng)力x,y,的關(guān)系，含有標(biāo)點(diǎn)7的單元隨時(shí)間的變化。可以看出，應(yīng)力x從壓縮到拉伸的變化，在25.18微妙時(shí)，它達(dá)到它的最大值，導(dǎo)致穿過(guò)標(biāo)點(diǎn)7產(chǎn)生拉伸裂紋。圖5包含(bohn)標(biāo)點(diǎn)(biodin)7的單元中單元?jiǎng)討B(tài)(dngti)應(yīng)力（即正應(yīng)力x和y，）與時(shí)間的關(guān)系。3.4 II型失效區(qū)II型失效區(qū)包括平行筒狀的巖石軸線的裂縫。如圖6所示，包含的標(biāo)點(diǎn)1(x=7.27,y=22.9)單元應(yīng)力x和y與時(shí)間的關(guān)系。由此可以看出應(yīng)力y從壓縮到拉力的變化，在15.28微秒的時(shí)達(dá)到其最大值，由拉力造成的單元失效。如圖6所示，從包含標(biāo)點(diǎn)1單元的

20、應(yīng)力波的到來(lái)產(chǎn)生裂縫，它需要大約10微妙。這是因?yàn)閼?yīng)力波從自由邊界，反射到標(biāo)點(diǎn)1根據(jù)P波速度需要9.4微秒。圖6包含標(biāo)點(diǎn)1的單元中單元?jiǎng)討B(tài)應(yīng)力（即正應(yīng)力x和y）與時(shí)間的關(guān)系。3.5 III型失效區(qū)III型失效區(qū)如圖2所示于的灰色區(qū)域。標(biāo)點(diǎn)4(x=52.9,y=15.6坐落在這些失效區(qū)。圖7所示，包含標(biāo)點(diǎn)4的單元正應(yīng)力x,y,隨時(shí)間變化關(guān)系。在初始階段，所有的正應(yīng)力是壓縮的，然后周向應(yīng)力的變化從壓縮到拉伸，在15.18微秒時(shí)達(dá)到其最大值112.97 兆帕斯卡，比巖石材料的拉伸強(qiáng)度大。因此，包含標(biāo)點(diǎn)4該單元失效。圖7包含(bohn)標(biāo)點(diǎn)(biodin)4的單元(dnyun)中單元?jiǎng)討B(tài)應(yīng)力（即正應(yīng)力

21、x和y，）與時(shí)間的關(guān)系。4 影響巖石斷裂的因素巖石破裂影響因素有許多，如耦合介質(zhì)，約束，邊界條件，炸藥柱起始位置，和空氣流動(dòng)。通過(guò)使用圓柱形巖石模型對(duì)這些巖石破裂的影響因素有如下研究。4.1耦合介質(zhì)利用耦合材料，以填補(bǔ)在炸藥與孔壁之間的地方是爆破的普遍做法。在這項(xiàng)研究中使用三種類型的耦合材料，水，沙子和空氣。這三種耦合材料于39微秒時(shí)間的模擬結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)巖石測(cè)量長(zhǎng)130毫米，直徑100毫米，導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度為130毫米與鉆孔長(zhǎng)度是相同的。導(dǎo)爆索開(kāi)始在左端?？梢钥闯?，產(chǎn)生的裂縫模式彼此有很大的不同。水耦合產(chǎn)生的擴(kuò)展裂縫區(qū)大于空氣耦合的。這是可以預(yù)料的，由于相對(duì)于砂和空氣，水是眾所周知的沖擊或

22、應(yīng)力波很好的傳輸介質(zhì)。事實(shí)上，圖8示出空氣耦合的結(jié)果，在只有輕微的損壞孔眼壁。因此，為了最大限度地減少爆炸損傷巖石，空氣耦合的炸藥提供最佳解決方案。這些都與目前的做法相同。圖8比較(bjio)圓筒狀的巖石(ynsh)里填充不同(b tn)的耦合介質(zhì);鉆孔具有相同的長(zhǎng)度，并從左端開(kāi)始，所有的邊都被視為自由邊界，鉆孔季戊炸藥產(chǎn)品（氣體）的發(fā)射這里就不介紹了。4.2 約束炸藥旁邊的填充物模擬鉆孔的炸藥包的約束。這是一種常見(jiàn)的爆破做法，鉆孔裝滿了炸藥，其余部分填充填充物材料。在該仿真中，炸藥的長(zhǎng)度是圓筒長(zhǎng)度的一半。這項(xiàng)研究的目的是觀察限制應(yīng)力波對(duì)巖石破壞的影響。在數(shù)值模型中，這是只通過(guò)在鉆孔本身，或允

23、許開(kāi)口端處逸出氣體。長(zhǎng)度為65毫米的線性炸藥(zhyo)被放置在測(cè)量長(zhǎng)度(chngd)130毫米的和直徑100毫米的圓筒形的巖石中間。炸藥(zhyo)開(kāi)始在其底部引爆傳播到頂部。在這個(gè)模擬有三種填充物材料，空氣，沙子和巖石。空氣和沙子都能搬出孔。由相同的閃長(zhǎng)巖填充巖石的情況，從而代表一個(gè)完全埋在相同的介質(zhì)中的炸藥，就像火山口爆炸。所有表面都被視為反射或自由面。對(duì)于三個(gè)填充材料，在其底部的炸藥開(kāi)始63.3微妙后斷裂區(qū)如圖9。由于沒(méi)有（空氣）的情況下產(chǎn)生量最少的裂隙區(qū)，完全掩埋的情況下（由于巖石）產(chǎn)生最強(qiáng)烈的破碎帶。底部平行于圓柱體的外表面的剝落裂紋是最小的。然而，即使在沒(méi)有任何填充物的情況下，仍

24、引發(fā)上面的端部相當(dāng)大的拉伸斷裂區(qū)域。在頂部是一個(gè)圓錐形的巖石板完全掩埋的情況最為明顯。對(duì)于沒(méi)有堵塞的情況下，最大程度上的損壞是僅略低于填沙的情況下，但總損壞明顯減少。但是應(yīng)當(dāng)指出，該圖9描繪的損害只有爆炸的第一階段（即開(kāi)始后63.3微秒）;最終完全掩埋的情況下的損害程度將更加廣泛，由于后續(xù)的爆炸氣體，延長(zhǎng)這些初始裂縫。圖9比較圓筒狀的巖石不同填塞物所產(chǎn)生狀態(tài);炸藥放置在井眼的中心，它的長(zhǎng)度是65毫米;所有的邊都被視為自由邊界。4.3 邊界條件圖10所示，自由或傳播邊界條件下的圓筒狀的巖石的物質(zhì)狀態(tài)。條形藥包（長(zhǎng)度= 65毫米）放置在測(cè)量長(zhǎng)度130毫米的和直徑100毫米的圓筒形的巖石中間。炸藥開(kāi)

25、始在其底部引爆傳播的頂部。在該仿真中，炸藥和鉆孔壁之間的空間中充滿水。自由邊界代表表面應(yīng)力波可以反射，但在傳播邊界是不允許的應(yīng)力波反射回來(lái)，它本質(zhì)上是一個(gè)無(wú)限大的巖體模型。在自由邊界的情況下，應(yīng)力波的反射可能會(huì)導(dǎo)致圓周破裂，這應(yīng)力波的大小和材料的拉伸強(qiáng)度而定。從圖10可以看出，自由邊界的巖石模型的損害比傳播的邊界更密集，特別是對(duì)端部附近損傷，如同III型裂紋。這表明，使用自由邊界爆破，碎裂的程度將顯著增加，這與目前的爆破實(shí)踐相符。圖10長(zhǎng)度(chngd)65毫米炸藥被放置在鉆孔中的中心，比較(bjio)不同邊界（自由(zyu)和傳播）圓筒狀的巖石材料的狀態(tài)。4.4 爆炸初始位置在爆破作業(yè)中，主

26、要有三種方式起爆炸藥，即底部開(kāi)始，頂端開(kāi)始，和多點(diǎn)起爆炸藥柱。在這項(xiàng)研究中，用三種起爆方法，來(lái)看看他們導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度的特點(diǎn)。邊緣都被視為傳播邊界，除頂面是自由的（反射）外。這是類似于掩埋在半無(wú)限介質(zhì)中的炸藥。在這種情況下，各自的斷裂區(qū)相比自由邊界的情況下減少（見(jiàn)4.3），圖11示出的頂端開(kāi)始，底部開(kāi)始，同時(shí)開(kāi)始在炸藥柱的底部和頂部的材料狀態(tài)的比較。圓筒長(zhǎng)度，即65毫米一半位于中心位置。耦合介質(zhì)是水，填充材料是填砂。由此可以看出，如果起爆開(kāi)始在底部，頂部附近出現(xiàn)的最嚴(yán)重的損害，如果起爆開(kāi)始在頂部，底部附近發(fā)生的最嚴(yán)重的損害，而且如果同時(shí)在的頂部和底部起爆，兩個(gè)端部區(qū)域附近的的損傷，沒(méi)有明顯的不同，

27、但在中間區(qū)域中的損傷加劇。圖11長(zhǎng)度為65毫米(ho m)炸藥被放置在井眼的中心，比較不同(b tn)的起始位置的圓筒狀的巖石材料(cilio)狀態(tài);邊緣都被視為傳輸邊界的，除頂面是自由之外。4.5 空氣回避空氣回避方法首次被Knox27提出，它隨后被許多研究人員28-30研究。雖然空氣回避已被應(yīng)用到爆破很長(zhǎng)一段時(shí)間，空中回避的機(jī)制仍然沒(méi)有得到很好的理解。在這項(xiàng)研究中，通過(guò)用空氣更換部分填充材料模型模擬的空氣閃避。對(duì)頂部空氣回避和底部空氣回避，兩種空氣回避進(jìn)行了模擬。在這個(gè)模擬中使用自由邊界和水耦合。對(duì)于圖12的前兩種情況，空氣回避設(shè)計(jì)在炸藥的底部，并分別在底部和頂部的起爆炸藥。底部開(kāi)始的情況

28、下，在鉆孔的底部附近的損傷是輕微的，而頂部附近的損壞嚴(yán)重。對(duì)于頂部起爆的情況下附近的兩個(gè)端部區(qū)域的損傷程度的差異也不明顯。圖12比較的不同的空氣閃避（底部空氣閃避或頂部空氣閃避）圓筒狀的巖石的材料狀態(tài)，炸藥被放置在井眼的中心，其長(zhǎng)度為65毫米，所有的邊都被視為自由邊界。在圖12后面的例子中，空氣回避的設(shè)計(jì)在炸藥的頂部，并在炸藥的底部和在頂部分別起爆。如果在底部起爆的情況下，損害是圖中所示所有的情況下最密集的。如果在頂部起爆的情況下，頂部附近的巖石的損傷是在所有的情況下最小的。從上面的結(jié)果可以看出，使用頂空氣回避和底部起爆，可以提高爆破效率。5 結(jié)論(jiln)這項(xiàng)研究(ynji)著重探討鉆孔爆

29、炸開(kāi)始階段應(yīng)力波的作用，這是理解巖石(ynsh)在爆炸荷載下斷裂的關(guān)鍵一步。應(yīng)力波作用下產(chǎn)生裂紋被認(rèn)為是很關(guān)鍵的，因?yàn)樵陔S后的斷裂和大規(guī)模巖石破裂都是由于爆炸氣體的滲透到這些起初的裂紋里造成的。本文提出的數(shù)值模型已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的爆破情況里，分析了巖石壓裂的機(jī)制，以及影響巖石破裂的因素進(jìn)行了。圖2呈現(xiàn)了裂縫地圖和在應(yīng)力波載荷目標(biāo)巖石的損壞程度。在高徑向壓應(yīng)力下，在鉆孔附近形成剪切失效區(qū)。除了剪切失效區(qū)，有三種類型的裂紋，垂直軸向（I型裂紋），平行軸向（II型裂紋）和軸向橫截平面內(nèi)部的（型裂紋）。這些失效區(qū)的斷裂機(jī)制在3.2-3.5進(jìn)行了分析圖3-7。巖石破裂有許多影響因素，如耦合介質(zhì)，約束，邊界

30、條件，起始位置，空氣回避。使用具有良好的應(yīng)力波傳播性質(zhì)的材料，填充炸藥和井壁之間，可以顯著提高破巖效率。強(qiáng)約束，可以有效地阻止爆炸產(chǎn)物（氣體）從鉆孔中逃逸，因此，它可以加強(qiáng)巖石損傷程度。使用自由邊界爆破，碎裂的程度將顯著增加。起爆附近地方不發(fā)生最嚴(yán)重的損壞，但靠近另一端損毀嚴(yán)重。使用空氣頂部的回避和底部起爆在的爆炸方法，可以提高破巖效率。參考文獻(xiàn) HYPERLINK /science/article/pii/S1365160907000731 l bib1 1 Warpinski NR, Sehmidt RA, Cooper PW, Walling HC, NorthropDA.高能氣體斷裂：

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