【采礦】爆炸應(yīng)力波研究入門

<爆破載荷下圍巖的穩(wěn)定性>

2005.12.24煤礦消費中，不可防止地產(chǎn)生爆破載荷，其主要方式：巷道掘進〔炮掘〕、巖爆、瓦斯爆炸以及其他動力型災(zāi)禍。如何盡能夠減少爆破應(yīng)力波對巖石損傷與破壞，有效維護爆后保管巖體的穩(wěn)定性，成為目前研討討論的搶手話題。經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)：在爆炸源附近巖石中構(gòu)成沖擊波，影響半徑為裝藥半徑的3-7倍；隨沖擊波向外傳播，應(yīng)力幅值不斷衰減，波速不斷降低，最后演化成應(yīng)力波，其影響半徑為裝藥半徑的120-150倍，隨應(yīng)力波進一步傳播衰減，又演化成地震波起影響半徑為裝藥半徑的150倍。思索影響半徑以及其應(yīng)力幅值衰弱程度那么主要研討應(yīng)力波對圍巖構(gòu)造的影響和作用效果。勒夫波(Q波)塑性波應(yīng)力波彈性波面波體波縱波(P波)橫波(S波)瑞利波(R波)緊縮波剪切波當外載荷作用于可變形的固體的部分外表時，一開場只需直接遭到外載荷作用的外表部分的介質(zhì)質(zhì)點因變形而分開了初始平衡位置，由于這部分介質(zhì)質(zhì)點與相鄰介質(zhì)質(zhì)點發(fā)生了相對運動，必然將遭到相鄰質(zhì)點的作用力，同時也給相鄰介質(zhì)質(zhì)點予反作用力，因此使相鄰介質(zhì)質(zhì)點分開平衡位置而運動起來。由于質(zhì)點的慣性，相鄰介質(zhì)質(zhì)點的運動將滯后于外表介質(zhì)質(zhì)點的運動。依次類推，外載荷在外表引起的擾動將在介質(zhì)中逐漸由近及遠傳播開去。這種擾動在介質(zhì)中的由近由近及遠的傳播即是應(yīng)力波。其中的擾動與未擾動的分界面稱為波陣面，而擾動的傳播速度稱為應(yīng)力波波速。主要內(nèi)容一、應(yīng)力波根底知識二、巖石動力學實驗技術(shù)三、數(shù)值分析四、前人研討結(jié)論成果一、應(yīng)力波根底知識無限介質(zhì)中的彈性應(yīng)力波一維長桿中的應(yīng)力波應(yīng)力波反射疊加引起的破壞巖石中的爆破應(yīng)力波1無限介質(zhì)中的彈性應(yīng)力波方程彈性波的兩種根本方式：無旋波和等容波動搖方程一致方式如下：Ψ表示波的位移勢函數(shù)，C表示彈性波的波速。對無旋波C=C1，對等容波C=C2E為彈性模量，μ為泊松比，ρ為介質(zhì)密度2一維長桿中的應(yīng)力波根本假設(shè)一：桿截面在變形過程中堅持平面，沿軸向只需均布的軸向應(yīng)力。使得各運動參量都只是X和t的參數(shù)，問題化為一維。根本假設(shè)二：資料的本構(gòu)關(guān)系限于應(yīng)變率無關(guān)實際，不思索應(yīng)變率對應(yīng)力的影響。一維桿中縱波的控制方程如下：C為一維桿中的應(yīng)力波速度2.1一維桿中應(yīng)力波方程求解〔右行波〕〔左行波〕方程求解得到：對于線彈性應(yīng)力波那么有：〔右行波〕〔左行波〕2.2彈性波在固定端和自在端的反射有限長桿中的彈性波傳播到另一端時，將發(fā)生反射，邊境條件決議反射波的性質(zhì)。入射波與反射波的總效果可按疊加原理確定。σVooVσ231123圖２圖１圖1，v2=-v1,那么有v3=0,σ3＝2σ1兩波相遇處質(zhì)點速度為０，而應(yīng)力加倍．相當于法向入射彈性波固定端〔剛壁〕反射，反射波是入射波的正象，拉伸波反射為拉伸波，緊縮波反射為緊縮波．圖2，v2=v1,那么有v3=2v2,σ3＝0兩波相遇處質(zhì)點應(yīng)力為０，而速度加倍．相當于法向入射彈性波自在端〔自在外表〕反射，反射波是入射波的倒象，拉伸波反射為緊縮波，緊縮波反射為拉伸波．2.3HOPKINSON.J落重沖擊拉伸實驗一端固定的鋼絲懸掛著一物體，重物從間隔物體h處下落〔如下圖〕，結(jié)果，鋼絲斷開，被拉斷的一端是B。在固定端最早到達反射后的應(yīng)力疊加，大小為原來兩倍。BA落重3應(yīng)力波反射疊加引起的破壞入射到自在外表的緊縮波經(jīng)反射會構(gòu)成拉伸波。這些反射回來的拉伸波將與入射緊縮波的后續(xù)部分相互作用，其結(jié)果有能夠在臨近的自在外表附近呵斥拉應(yīng)力，假設(shè)所構(gòu)成的拉應(yīng)力滿足某種動態(tài)的斷裂準那么，那么將在該處引起資料破斷，裂口足夠大時，整塊的裂片便會攜帶著其中的動量而飛離。層裂的過程中，在第一層層裂出現(xiàn)的同時，也構(gòu)成了新的自在外表，繼續(xù)入射的壓力脈沖在此新的自在外表反射，從而有能夠呵斥第二層層裂。依次類推，在一定條件下會構(gòu)成多層層裂。３２１爆破應(yīng)力源應(yīng)力波源(點載荷)反射波入射波心裂點載荷〔應(yīng)力波〕引起直圓柱體的破裂〔角裂、心裂〕點載荷〔應(yīng)力波〕對不同厚度板引起的破裂〔角裂〕內(nèi)部爆炸加載引起方形筒的破裂〔角裂〕應(yīng)力波源4巖石中的爆破應(yīng)力波炸藥爆炸在巖石中激起的應(yīng)力波〔爆炸應(yīng)力波主要是彈性應(yīng)力波〕爆炸應(yīng)力波在巖石中的傳播方式及過程應(yīng)力波傳播的過程——應(yīng)力波對巖體構(gòu)造作用的過程4.1爆炸載荷耦合裝藥：炸藥充溢整個藥室徑向空間，不留有任何空隙。反之，不耦合。耦合條件下QV為炸藥的爆熱，ρ0為炸藥的密度，D為炸藥的爆速，p、ρ、u、c分別為爆轟波陣面的壓力、產(chǎn)物密度、質(zhì)點速度與聲速經(jīng)過實驗確定炸藥爆速求各個值不耦合條件下Pm為爆轟產(chǎn)物開場是平均爆轟壓Pi入射壓4.2巖石中的應(yīng)力波速彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度ρ及其動力變形參數(shù)Ed，μd有關(guān)。因此可以經(jīng)過測定巖體中的彈性波速來確定巖體的動力變形參數(shù)。4.3巖體中應(yīng)力波波速的測定地震法聲波法選擇代表性測線，布置測點和安裝聲波儀發(fā)生正弦脈沖，向巖體內(nèi)發(fā)射聲波記錄縱、橫波在巖體中傳播的時間4.4巖石中的應(yīng)力波波速巖石中的應(yīng)力波速度大小是巖石孔隙率、彈性模量、構(gòu)造完好性等的綜合反響。利用實驗測得的巖石〔巖體〕內(nèi)縱波和橫波速度，可以計算得到巖石的動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比等性質(zhì)參數(shù)。式中，Cs為巖石中的橫波速度，μd，Ed，Gd，Kd，λd分別為巖石的動態(tài)泊松比、巖石的動態(tài)彈性模量、動態(tài)剪切模量、動態(tài)體積彈性模量、動態(tài)拉梅常數(shù)4.5影呼應(yīng)力波在巖體中的傳播速度的要素不同巖性巖體中傳播波速不同，巖體愈致密鞏固，波速愈大，反之，那么愈小。沿構(gòu)造面?zhèn)鞑サ乃俣却笥诖怪睒?gòu)造面?zhèn)鞑サ乃俣?。在壓?yīng)力作用下，波速隨應(yīng)力添加而添加，波幅衰減少；反之，在拉應(yīng)力作用下，那么波速降低，衰減增大。隨巖體中含水量的添加導致彈性波速添加。巖體處于常溫時，波速隨溫度增高而降低。反之相反4.6巖石中爆炸應(yīng)力波的衰減爆炸源近區(qū)，沖擊波壓力衰減規(guī)律：為比間隔〔間隔藥室中心的間隔與藥室半徑的比值〕，σr為徑向應(yīng)力峰值，a為壓力衰減指數(shù)。沖擊波衰減指數(shù)應(yīng)力波衰減指數(shù)4.7相關(guān)研討現(xiàn)狀應(yīng)力波經(jīng)過構(gòu)造面的傳播—構(gòu)造面兩側(cè)為一樣巖石的應(yīng)力波反、透射；構(gòu)造面兩側(cè)巖石可自在滑動時的應(yīng)力波反、透射。層狀巖石中應(yīng)力波的傳播—利用等效波阻抗法分析單頻應(yīng)力波經(jīng)過巖石夾層的透射；三角形應(yīng)力波經(jīng)過夾層的透射；李夕兵等總結(jié)不同應(yīng)力波形經(jīng)過夾層的透射應(yīng)力特征。順巖石外表傳播的應(yīng)力波—瑞利外表波、勒夫外表波、縱波〔膨脹波〕沿邊境的傳播；平板中波的傳播。盧愛紅經(jīng)過數(shù)值模擬手段對應(yīng)力波在粘彈性介質(zhì)中傳播規(guī)律的分析.得到:應(yīng)力波頻率越高衰減幅度越大;波速添加,衰減系數(shù)越小;延遲時間的添加導致衰減系數(shù)增大。二、巖石動力學實驗技術(shù)——分別式霍布金森壓桿

SplitHopkinsonPressureBar(SHPB)Test1巖石動力學實驗經(jīng)過霍布金森壓桿測試系統(tǒng)，可以記錄加載脈沖的應(yīng)力—應(yīng)變、應(yīng)力—時間、應(yīng)變—時間、應(yīng)變率—時間動態(tài)曲線相關(guān)研討現(xiàn)狀中國礦業(yè)大學的單仁亮利用SHPB對花崗巖、大理巖的本構(gòu)關(guān)系進展研討。得到：花崗巖峰前應(yīng)力應(yīng)變曲線大多近似直線，闡明在這階段巖石具有良好的線彈性；而峰后沖擊速度低那么曲線出現(xiàn)回彈，沖擊速度高那么曲線中隨應(yīng)變添加應(yīng)力不斷降低〔巖石試件破碎〕。大理巖峰前直線的斜率受沖擊速度影響，速度越大，彈性模量越大。中國科技大學的席道瑛等利用SHPB進展長桿沖擊實驗，經(jīng)過對波形的拉格郎日分析和途徑分析，得到大理巖、砂巖在枯燥、飽煤油條件下動態(tài)本構(gòu)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)：大理巖的構(gòu)造構(gòu)造相對于砂巖均勻致密；卸載曲線模量大于加載曲線模量北京科技大學的于亞倫利用SPHB對不同圍壓下砂巖的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系和強度特性進展研討。不同應(yīng)變率條件下，試件屈服前，其變形表現(xiàn)為線彈性變形，屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化。三、數(shù)值模擬分析目前國內(nèi)運用較多的程序是LS-DYNA程序,它是一個顯示非線性動力分析通用的有限元程序,可以求解各種二維、三維爆炸動力呼應(yīng)問題，運用該程序?qū)鲜冶?、臺階爆炸、藥壺爆炸進展的數(shù)值模擬。數(shù)值方法主要是利用特征線方法、有限元法、有限差分法等。其他軟件：SWAP、AUTODYNA、JOY等等Xyz鋼外殼混凝土炸藥實例引見：吳詳云等推導了平面應(yīng)變條件下的圓形硐室構(gòu)造動力計算方法，給出了圓形硐室構(gòu)造動力分析的解析解，并對不同構(gòu)造厚度及不同鞏固巖體進展了計算，得到了符合宏觀定性分析的計算結(jié)果：在截面厚度不變的情況下，構(gòu)造控制斷面的彎矩隨著巖石鞏固系數(shù)的添加而減少；構(gòu)造的軸力隨著巖石鞏固系數(shù)的添加而減少；在巖石鞏固系數(shù)不變的情況下，構(gòu)造控制斷面的彎矩隨著構(gòu)造厚度的添加而添加?！?lt;巖體中錨噴支護與襯砌構(gòu)造計算研討>四、前人研討結(jié)論成果謝勇謀等分析了開挖爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在圍巖的傳播及對圍巖的影響，即爆破產(chǎn)生的P波與R波將分別在圍巖中產(chǎn)生垂直和平行于圍巖外表的拉張破裂面，這些破裂面能夠是微觀的，也能夠是宏觀的?！?lt;爆破對巖爆產(chǎn)生作用的初步討論>易長平等運用LS-DYNA軟件研討了爆破震動對臨近隧道的影響，分析了不同爆破方式下對臨近隧道的不同影響。——<開挖爆破對臨近隧洞的震動影響研討>盧愛紅在博士論文<應(yīng)力波誘發(fā)沖擊礦壓的動力學機理研討>中，運用LS-DYNA軟件中的失效分析功能，研討圍巖的巖性〔關(guān)鍵層的性質(zhì)〕、埋深〔同一應(yīng)力波強度條件下〕及應(yīng)力波特征〔應(yīng)力波強度、應(yīng)力波上升時間〕對應(yīng)力波作用下巷道圍巖的失效破壞的影響。得到：對于不同埋深的巷道，在給定應(yīng)力波強度條件下(P=15Mpa〕，研討闡明：巷道圍巖層裂破壞構(gòu)造的構(gòu)成與巷道埋深的有關(guān)，假設(shè)埋深在一定范圍內(nèi)〔H<500m〕，即可以防止層裂構(gòu)造的構(gòu)成。當埋深超越某一臨界值〔H>500m〕時，隨巷道埋深的添加，巷道層裂的范圍有增大的趨勢，巷幫層裂破壞范圍變大，使得層裂構(gòu)造失穩(wěn)時，釋放的能量加大，向巷道內(nèi)涌出的巖體量添加。隨關(guān)鍵層彈性模量的添加，巷幫層裂破壞范圍具有變大的趨勢。利用LS-DYNA系統(tǒng)模擬了應(yīng)力波作用下巷道圍巖的應(yīng)力分布和能量積聚特征，討論了圍巖應(yīng)力、能量分布隨時間t、巷道埋深H、擾動應(yīng)力波強度對二者的影響。經(jīng)過研討闡明：在應(yīng)力波作用下，圍巖中的正應(yīng)力隨時間呈動搖變化，加上巷道邊境的反射作用等，使得巷道圍巖應(yīng)力比沒有擾動時顯著添加；擾動應(yīng)力波作用的一側(cè)巷幫應(yīng)力受其影響最大，分析得到：左幫程度應(yīng)力的最大增幅到達190%，垂直應(yīng)力的最大增幅到達217%，等效應(yīng)力最大增幅到達47%。運用類似模擬實驗的方法，分析應(yīng)力波特性、巖性參數(shù)對巷道圍巖的破壞以及測點振動的影響。得到：隨著間隔的添加，應(yīng)力波的時域波形由脈沖方式變化為正弦波方式，并且最大幅值隨著間隔的添加而減少。而且應(yīng)力波的衰減與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，資料性質(zhì)越軟，應(yīng)力波在資料中衰減得越快；并再現(xiàn)了巷道圍巖在應(yīng)力波作用下的破壞歷程。在巷道正上方施加爆破載荷，改動爆源與巷道頂板的間隔，巷道離爆源越遠就不會出現(xiàn)裂紋，隨間隔的減少