节理岩体爆破数值模拟.pdf

第2 6 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 6N o ．4 2 0 0 9 年1 2 月 B L A S T I N G D e c ．2 0 0 9 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 0 9 ．0 4 ．0 0 4 节理岩体爆破数值模拟 叶海旺，王进 武汉理工大学资源与环境工程学院矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉4 3 0 0 7 0 摘要岩体的节理裂隙常常会影响爆破效果，而且会由此增加大块率，提高爆破成本。为了探明节理岩 体爆破特点，首先采用有限元方法模拟了节理岩体爆破应力场的分布特点，接着分析了在台阶底部不同点的 等效应力的变化规律，最后模拟了爆炸能量在节理岩体的传播规律。研究结果表明，节理裂隙能有效地反射 爆炸应力波，节理裂隙越多，波的反射就越强，而且反射波的强度随着弱面与岩体间的波阻抗的差值的增加 而加大；台阶底部各点的有效应力随着节理裂隙的存在而发生复杂的变化，而不象在均质岩体中一样有规 律；炸药爆炸产生的动能在节理岩体中衰减快，透过闭节理时能量的衰减比透过充填节理要慢。爆炸能量透 过倾斜节理时衰减较慢，而透过垂直节理时衰减较快。 关键词 台阶爆破；节理岩体；数值模拟 中图分类号0 3 8 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 9 0 4 0 0 1 3 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o n w i t hJ o i n t s o fB l a s t i n gi nR o c kM a s s a n dF r a c t u r e s Y EH a i w a n g ，W A N GJ i n S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， H u b e iK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lR e s o u r c e sP r o c e s s i n ga n dE n v i r o n m e n t ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef r a g m e n t a t i o ni si n f l u e n c e db yt h ej o i n t sa n df r a c t u r e si nr o c km a s sd u r i n gb l a s t i n g ．T h eb o u l d e r y i e l di n c r e a s e sw i t ht h ej o i n t sa n df r a c t u r e sd e c r e a s i n g ，w h i c hw i l li n c r e a s et h ec o s to fb l a s t i n g ．I no r d e rt oe x p l o r e t h ec h a r a c t e r so fb l a s t i n gi nj o i n t e dr o c km a s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e di n t h i sp a p e r ．T h ee x p l o s i o n s t r e s sf i e l di nj o i n t e dr o c km a s si ss i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ec h a n g i n gr u l eo fe q u i v a l e m s t r e s s a tt h ep o i n t so ft h eb e n c hb o t t o mi sa l s os t u d i e da tt h es a l n et i m e ．I nt h ee n d ．t h et r a n s m i t t i n go fe x p l o s i o ne n o e r g yi nj o i n t e dr o c km a s si ss i m u l a t e d ．T h es i m u l a t i o nr e 8 l l l t ss h o wt h a tt h ej o i n t sa n df r a c t u r e sc a nr e f l e c te x p l o s i o n s t r e s sw a v ea n di ft h e r ea l em o r ej o i n t sa n df r a c t u r e si nr o c km a s s ，t h es t r e s sw a v ew i l lb em o r er e f l e c t e d ，w h e nt h e d i f f e r e n c eo fw a v ei m p e d a n c eb e t w e e nt h ej o i n t sa n dr o c km a s si n c r e a s i n g ，t h ew a v ew i l lb er e f l e c t e dg r e a t l ya c c o r d - i n g i y ；t h ee q u i v a l e n ts t r e s sw i l la l t e r n a t ew i t ht h ec h a n g i n go ft h ej o i n t sq u a n t i t y ，w h i c hi sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h a t i nh o m o g e n o u sr o c k ．T h ek i n e t i ce n e r g ya t t e n u a t e sq u i c k l yw h e nt h e r ea l ej o i n t si nr o c km a s sa n dt h ej o i n t sa r cf i l l e d w i t ho t h e r s ．T h ee x p l o s i o ne n e r g yi nr o c km a s sw i t hi n c l i n e dj o i n t sa t t e n u a t e ss l o w e rt h a ni nr o c km a s sw i t hv e r t i c a l j o i n t s ．A l lt h e s er e s u l ma b o v ew i l lb eh e l p f u lf o rb l a s t i n ge n g i n e e r st oa c h i e v eb e t t e rb l a s t i n gr e s l l l t s ． K e yw o r d s b e n c hb l a s t i n g ；r o c km a s sw i t hj o i n t s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 收稿日期2 0 0 9 1 0 0 1 作者简介叶海旺 1 9 7 1 一 ，男，博士，副教授，研究方向爆破与岩 土工程理论，E m a i l y e h a i w a n 9 3 6 9 h o t m a i l ．C O r n 。 0 引言 节理裂隙的存在使得岩体具有非连续性和显著 的各向异性，从而使得炸药爆炸于岩体之间的作用 万方数据 1 4 爆破 2 0 0 9 年1 2 月 更为复杂，爆破效果也常常为之受影响，增加爆破负 面效应，提高爆破成本引。为提高爆破效率、降低 爆破成本及爆破有害效应，试着采用L S ．D Y N A 动态 有限元程序的方法，对节理岩体爆破过程进行数值 模拟，模拟不同节理赋存状态下的爆炸应力场的变 化规律以及炸药爆炸能量在节理岩体中的传爆规 律，以期为爆破工程服务。 1 数值模拟模型 建立计算模型采用如下尺寸 如图1 所示 ，孔 深1 1m ，堵塞4m ，超深1 ．0m ，孔径0 ．0 9m ，底盘抵 抗线为5 ．0m ，堵塞材料为钻孔岩屑。 爆破对象为花岗岩，花岗岩和节理材料参数见 表l ，炸药为2 号岩石乳化炸药‘4 剖，其性能参数见 透射边界 表2 。 表1 花岗岩和节理材料参数 图1 计算模型图 单位c m 表22 号岩石乳化炸药参数 材料参数相同，同样装药结构条件下，根据有无 节理、节理有无充填以及节理面法向与炮孔轴线交 角情况，建立了6 种不同的工况模型。 模型1 无节理；模型2 1 条充填节理，节理面 法向与炮孔轴线垂直；模拟3 1 条充填节理，节理面 法向与炮孔轴线斜交；模型4 2 条充填节理，节理面 法向与炮孔轴线垂直；模型5 1 条充填节理，节理面 法向与炮孔轴线平行；模型6 1 条闭合节理，节理面 法向与炮孔轴线垂直。 2 模拟结果及分析 2 ．1 炸药爆轰压力时程曲线 模型2 中，炮孔内6 8 1 炸药单元压力时程曲线 如图2 所示，炸药单元6 8 1 在起爆后非常短时间内 达到峰值压力9 ．6 5G P a ，这与理论爆轰压力9 ．9 G P a 是接近的，然后爆轰压力迅速衰减为近似水平 直线，最后，爆轰压力曲线逐渐衰减为0 ，其它模型 炮孔爆压时程曲线与之大致相同。 靠近炮孔的单元8 7 7 9 的应力在很短时间达到 了很大的值然后迅速衰减，而靠近台阶坡面处的单 元1 0 4 5 5 由于自由面的存在，应力持续一段时间后 达到很大的值，说明应力波在此处发生了反射，使得 此处的应力值尽管不如靠近装药处大，但是应力持 续时间长 图3 。 m i n 0 m a x - - 9 ．6 5 35 e 0 9 图2I 条平行节理时炮孔壁爆压 2 ．2 应力场分析 图4 是分别是模型1 6 在6 0 0I x s 左右时的 M i s e s 有效应力等值线图。 万方数据 第2 6 卷第4 期D - I 海E ，王进节理岩体爆破数值模拟 1 5 m i n 0 m a x 4 ．0 8 56 e 0 8 T i m e a 一0 ．5 2 巴 0 ．4 曩 ．拿 蔷0 ．3 O ．2 O ．1 00 ．0 0 5 m i n 0 m a x 2 ．18 04 e 0 8 图3 记录单元上有效应力时间历程图 图46 0 0 妒左右6 种模型的有效应力等值线图 在各模型的台阶底部设置1 条时间历程记录 线，取位于坡底线同一高度的5 个单元，以记录台阶 0 ．0 1 00 ．0 1 5 0 ．0 2 0 T i m e b N o 5 爆破底盘抵抗线上各单元等效应力的时间历程曲 线。各单元从右到左分别为l 、2 、3 、4 、5 ，这5 个单 2∞三∞∞113 a _ 王J 回一吼∞_叫∞口斡盘一‘口．}～计∞∞-_∞∞}lluo，Jw 万方数据 1 6爆破2 0 0 9 年1 2 月 元到底部药包中心线的距离分别为5m 、4 ．1 m 、3 ．2 m 、2 ．3I n 、1 ．4m 。 模型1 至模型6 上的时间历程记录线上各记录 单元在8 0 0I x s 等效应力值和最大等效应力值分别 见图5 、表3 和表4 。 模型l 模型2 模型3 模型4 模型5 模型6 图58 0 0 岫各模型记录单元等效应力值变化图 单位M P a 表38 0 0 岬各模型时间历程记录单元等效应力值 炮孑L 底部的记录线位置各点的M i s e s 等效应力 值是随着记录单元距离的增大而逐渐减小的，而且 模型1 、6 、5 、3 、2 、4 的各单元应力值依次呈衰减趋 势，这就说明了不同节理赋存状态对爆炸应力波的 传播影响程度不同。 我们注意到单元2 的最大等效应力，模型l 为 4 6 ．2M P a ，模型6 为4 3 ．1M P a ，其余模型均低于4 0 M P a ，而岩石屈服应力为4 0M P a ，也就说明除模型l 和6 破坏外，其余各模型此处均没有破坏，会有大块 产生。 对比炮孔轴线与节理面法向成不同角度布置， 且有1 条充填节理时，其模拟结果表明，每一时刻的 有效应力值有明显的不同，说明当炮孔轴线与节理 面法向垂直时，爆炸能量衰减最快，斜交次之，只有 炮孔轴线与节理法向平行时，爆炸能量利用率较高。 对比充填节理和闭节理在同等爆破条件下的模 拟结果炮孑L 轴线与节理面法向垂直时，充填节理图 4 b 与闭节理图4 f 相比较，表明充填节理要比闭 节理对爆炸能量的损耗要大。 对比节理面法向与炮孑L 轴线相垂直的2 条节理 和1 条节理的模拟情况，即图4 b 和图4 d 相比 较，说明随着节理条数的增多，爆炸能量衰减会更加 剧烈，爆破破坏范围也受到了很大限制。 对比节理岩体和均质岩体，在均质岩体中爆破 时，爆炸能量向四周均匀分布，能量利用率高，爆破 效果好；而节理岩体由于节理面的存在，使得应力波 在节理面处产生了复杂的反射和透射现象，不但改 变了应力波传播路径，形成了复杂的应力场，而且节 理面处发生剪切滑移破坏，使得爆生气体过早外逸， 爆炸能量分布不均衡，因而爆炸能量利用率低，加剧 了爆炸能量的衰减，明显影响爆破效果。 2 ．3 炸药爆炸动能分析 炸药动能在短时间内达到最大值，大部分能量用 于压碎圈的岩石破碎，然后小部分能量用于裂隙圈的 岩石破碎，然后逐渐衰减为0 。无节理时，炸药大部 分能力作用于岩石，能量基本很少有损失，动能峰值 为6 ．8 9 1 0 9J 。有l 条垂直充填节理时，发生反射和 透射，炸药爆轰压力急剧衰减，尤其对于贯穿型通往 自由面的节理，能量衰减更为剧烈，动能峰值为4 ．9 2 1 0 6J 。其余工况下的动能峰值分别为5 ．5 7X1 0 6J 、 4 ．8 3 1 0 6J 、5 ．7 1X1 0 6J 和5 ．9 1 0 6J 。 由此可见，对于炸药动能，有节理比无节理衰减 的要快，闭节理对能量衰减影响比充填节理要小，爆 炸能量在斜节理的作用衰减较慢，而在垂直节理中 则较快，而平行节理对爆炸能量的利用率要好。 3结论 通过模拟不同赋存状态下节理岩体的爆破效 果，量化了不同时刻节理岩体在爆炸载荷作用下的 应力场，说明节理指标值不同，对爆破作用的影响有 明显的不同。 节理裂隙能有效地反射爆炸应力波，节理裂隙 越多，波的反射就越强，而且反射波的强度随着弱面 与岩体间的波阻抗的差值的增加而加大；台阶底部 各点的有效应力随着节理裂隙的存在而发生复杂的 变化，而不象在均质岩体中一样有规律；炸药爆炸产 生的动能在节理岩体中衰减快，透过闭节理时能量 的衰减比透过充填节理要慢，爆炸能量透过倾斜节 理时衰减较慢，而透过垂直节理时衰减较快。 下转第3 7 页 万方数据 第2 6 卷第4 期张恒伟，郭绪元，钟谷良，等官地地下厂房岩锚梁岩台开挖爆破试验 3 7 以及其它监测试验数据没有异常来分析，这种影响 程度是较小的。 6 试验成果 厂房岩锚梁开挖爆破试验比较成功，基本达到预 期效果。确定岩锚梁开挖爆破垂直孔及倾斜孑L 最大 线装药密度为1 0 8g ／m ，堵塞长度为4 0c m ；垂直孑L 底 都1 5c m 、倾斜孔底部5c m 不进行装药。监测的质点 最大振动速度为8 ．6e m ／s ，小于规范及设计要求1 0 e m ／s 。爆后经测量，爆破部位不存在欠挖，最大超挖 9c m ，满足设计要求。爆破块度满足装卸要求。 7结论 爆破试验厂横0 1 3 0 ．0 0 0 1 3 8 ．0 0m 成型 不是太好，倾斜孔造孑L 施工不在同一平面，起伏差较 大，需要通过提高钻孔质量来解决这问题。垂直孑L 由于围岩结构面多，半孔率低。厂横0 1 3 8 ．0 0 0 1 5 0 ．0 0m 开挖爆破成型效果比较理想。 爆破孔孔位控制不太好，斜面孔导向管应尽量靠 近岩面，且在造孔前先进行3c m 的水平孔窝施工。 从爆破效果来看，厂横0 1 5 0 ．0 0 ～0 1 4 4 ．0 0 m 、厂横0 1 4 4 ．0 0 0 1 3 8 ．0 0m 试验区的平整度 要高于厂横0 1 3 8 ．0 0 ～0 1 3 0 ．0 0m 试验区，而对 应的倾斜孔线装药密度是从1 0 0g ／m 、11 5g ／m 、1 3 0 g ／m 递增的，不平整度较低说明在厂横0 1 3 8 ．0 0 0 1 3 0 ．0 0m 试验区线装药密度偏大，垂直孔线 装药密度也偏大，应该适当降低。在孔距和孑L 位布 置等其他参数不变的情况下，将线装药密度分别调 整为9 0g ／m 、1 0 0g ／m 、1 1 0g ／m ，在其它条件和参数 不变的情况下，另选试验区进行第2 次爆破试验。 第2 次试验确定垂直孔和倾斜孔爆破线装药密度均 为1 0 0g ／m ，试验各项结果都满足设计和施工要求。 从第2 次试验确定的爆破参数应用于施工中的 效果来看，试验是成功的。2 次试验最终确定如下 参数 ①岩锚梁垂直孔孔深2 ．6m 以高程E L l2 2 8 ．0 m 往下量测 ，孔位以设计开挖线向边墙方向平移2 c m ，垂直钻孔。 ②岩锚梁倾斜孔孔深1 ．8 7m ，孔位以设计开挖 线竖直向下平移8c m 即孑L 口高程为脱l2 2 3 ．8 7 m ，钻孔角度按设计角度向上倾斜3 5o 施钻。 ③孔径西4 2m m ，垂直孔和倾斜孔孔距均为3 0 c m ，抵抗线为1 ．0 5m ，炮孔密集系数0 ．2 9 ，不耦合 系数3 ．3 6 ，垂直孔和孔爆破线装药密度均为1 0 0 g ／m ，在施工中根据具体地质条件和抵抗线大小可 做适当调整。实际应用中垂直孔线装药密度为1 0 2 1 3 5g ／m 间隔装药，倾斜孔线装药密度为9 4 1 1 5 g ／m ；间隔装药，垂直孑L 底部1 0c m 、倾斜孑L 底部5c m 均不装药，堵塞长度为4 0c m 。 参考文献 [ 1 ]中华人民共和国国家标准爆破安全规程 G B 6 7 2 2 2 0 0 3 [ S ] ．北京中国标准出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ] 刘殿中．工程爆破实用手册[ M ] ．北京冶金出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 张正宇，张文煊．现代水利水电工程爆破[ M ] ．北京 水利水电出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ]水工建筑物岩石基础开挖施工技术规范 s L 4 7 9 4 [ S ] ．北京中国水利水电出版社，1 9 9 3 ． [ 5 ]水电水利工程爆破施工技术规范 D L ／T 5 1 3 5 2 0 0 1 [ S ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 1 ． 上接第1 6 页 通过数值模拟分析可知，该研究方法为爆破工程 师进行实际工作提供了非常有效的帮助和指导。但同 时由于节理裂隙岩体爆破过程的复杂性，在模拟过程 中做了一些假设，故模型的可靠性有待进一步提高。 参考文献 [ 1 ]齐金铎．裂隙岩体的爆破理论[ J ] ．西部探矿工程， 1 9 9 7 1 4 9 - 5 0 ． [ 2 ] 谷德振．岩体工程地质力学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 7 9 ． [ 3 ] 夏才初，孙宗颀．工程岩体节理力学[ M ] ．上海同济 大学出版社，2 0 0 2 ． [ 4 ] 杨军，金乾坤，黄风雷．岩石爆破理论模型及数值计 算[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 9 ． [ 5 ]白金泽．1 ．5 ．D Y N A3 D 理论基础与实例分析[ M ] ．北 京科学出版社，2 0 0 5 ． [ 6 ] 戴俊．岩石动力学特性与爆破理论[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，2 0 0 2 ． [ 7 ] L I UQ i a n ．炮孔周围应力波及其对岩石破碎作用的理 论研究[ c ] ∥第四届岩石爆破破碎学术会议论文集． 北京冶金工业出版社，1 9 9 5 ． 【8 ] K A T O N AMG ．AS i m p l eC o n t a c ．F r i c t i o nI n t e r f a c eE l e ． m e n tw i t hA p p l i c a t i o nt oB u r i e dC u v e r t s [ C ] ∥h a tJ o u r n a l f o rN u m e r i c a la n dA n a l y t i c a lM e t I l o d si nC , e o m e e h ，1 9 8 3 3 7 】．3 8 4 ． 万方数据