裂隙岩体爆破数值模拟研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．2 9N o 。3 S e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．j s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 0 5 裂隙岩体爆破数值模拟研究木 王洋，叶海旺，李延真 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要岩体中的裂隙直接影响到爆炸应力波在岩体中的传播，进而影响到爆破效果。针对宏观闭合裂隙 岩体的特点，采用L s ～D Y N A 与离散元软件3 D E C 相结合的方法，分别模拟了含1 条裂隙、2 条平行裂隙和 2 条相交裂隙岩体中爆炸应力波的传播特点。结果表明，台阶爆破中应力波的分布并不均匀，应力波主要朝 自由面的方向传播；闭合型宏观裂隙阻碍爆炸应力波的传播，岩体中裂隙越多，最小主应力降低的越快，2 条 裂隙时，炮孔附近的拉应力降低了约3 0 ％。 关键词。3 D E C ；L S D Y N A ；节理裂隙；数值模拟；台阶爆破 中图分类号T D 2 3 5 ．4 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 0 2 0 0 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nJ o i n t e da n dF r a c t u r e dR o c kB l a s t i n g W A N GY a n g ，Y EH a i w a n g ，L IY a n z h e 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 y o fT e c h n o l o g y ，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 ej o i n t si nr o c ki n f l u e n c et h es t r e s sw a v ep r o p a g a t i o nb e h a v i o ra n dt h eb l a s t i n ge f f e c t s ．A c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fr o c kw i t hc l o s e dm a c r of r a c t u r e s ，t h ef e a t u r e so fs t r e s sw a v ep r o p a g a t i o ni nt h er o c k w i t ho n ej o i n t ， t w op a r a l l e lj o i n t so rt W OG H “ O S Sj o i n t sw e r es i m u l a t e db yL S ～D Y N Aw i t h3 D E C ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s t r e s sw a v ed i s t r i b u t e dn o n u n i f o r m l yi nb e n c hb l a s t i n ga n dm o s to fw h i c hs p r e a dt o w a r df r e es u r f a c e ．T h em i n i m u m p r i n c i p a ls t r e s sr e d u c e dq u i c k l yw i t ht h ef r a c t u r e si n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l yo nt h ec a s eo ft W oc r o s s i n gf r a c t u r e s ，t h et e n s i l es t r e s sn e a rt h eh o l er e d u c e da b o u t3 0p e r c e n t ． K e yw o r d s 3 D E C ；1 5 一D Y N A ；j o i n t e da n df r a c t u r e d ；n u m e f i c Ms i m u l a t i o n ；b e n c hb l a s t i n g 近几十年来，国内外学者对岩体中应力波的传 播规律进行了大量的研究工作，这些研究工作具有 ～定的广度和深度。上世纪8 0 年代邹定祥提出了 露天矿台阶爆破矿岩破碎过程的三维数学模型，并 根据该模型编制了B M M C 程序HJ 。随后提出了爆 岩块度分布预测的B a n d - - R a m 模型；之后长沙矿山 研究院于1 9 8 1 年完成了大冶铁矿控制爆破降震与 收稿日期2 0 1 2 0 6 1 3 作者简介王洋 1 9 8 3 一 ，女，硕士，从事爆破工程及安全技术研 究， E m a i l 9 4 6 3 4 0 1 6 0 q q ．c o r n 。 遣讯作者叶海旺 1 9 7 1 一 ，男，博士，副教授，主要从事采矿爆破方 面的研究与教学， E m a i l y e h a i w a n g s o h u ．c o r n 。 基金项目贵州科技计划项目 黔科合2 0 1 0 3 0 6 5 号 ；武汉理工大学 研究生自主创新基金 2 0 1 0 ．Z Y - Z H ．0 2 3 参数优化的研究；2 0 0 0 年杨军、金乾坤在D Y N A3 D 动力有限元源代码中嵌人岩石损伤模型，分析了岩 石损伤过程旧’3 1 ；2 0 0 1 年他们在考虑岩石冲击损伤 过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础 上，建立了新的岩石爆破损伤模型。但他们的研究 对象主要集中于均质、完整的岩石，对于存在节理裂 隙的岩体，仅从理论上进行了定性研究，缺少定量的 研究。2 0 0 2 年，赵和陈提出可以将离散元程序 U D E C 和有限差分程序A U T OD Y N 2 D 进行耦合， 模拟爆炸波在裂隙岩体中的传播过程，其具体方法 是利用A U T OD Y N 2 D 程序模拟爆炸波并计算爆 炸荷载，因为U D E C 程序不能模拟爆炸，再将计算的 爆炸荷载提供给U D E C 作为加载波，进而模拟爆炸 万方数据 第2 9 卷第3 期王洋，叶海旺，李延真裂隙岩体爆破数值模拟研究 2 1 波在岩体的传播⋯。 这里所指的裂隙，是指闭合型贯穿裂隙，为一种 没有明显位移的构造。采用L S D Y N A 与离散元 软件3 D E C 相结合的方法，研究了节理裂隙岩体的 爆破机理，得出了爆炸波在裂隙中的传播规律。 l L S D Y N A 数值模拟爆炸荷载 用L S D Y N A 模拟岩石中的爆炸过程，记录孑L 壁质点振动速度，并转换为3 D E C 可读的数据格式； 再用3 D E C 模拟爆炸波在裂隙岩体中的传播。 炸药采用M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 材料 模型，其参数见表1 。 表1M A T _ H I G H _ E X P L O S I V E _ B U R N 材料模型参数 T a b l elM A T _ I I I G HE x P L O S I V E _ B U R N m a t e r i a lm o d e lp a r a m e t e r s 炸药的状态方程采用J W L J o n e s W i l k e n s k e 状态方程，其参数见表2 ，该方程定义压力为相对体 积和内能的函数，精确描述了爆炸过程中爆轰产物 的压力、体积、能量的特性，具体形式如下 ％ A 1 一荆{ - R t V B 1 一荆e 也” 警 1 式中P 。。为爆轰产物压力，G P a ；A ，G P a ；B ，G P a ；R 。、 R 、∞为常数；E 。为炸药的单位体积内能，G P a ；V 为 相对体积。 表2 炸药状态方程参数 T a b l e2P a r a m e 蜘r so fe x p l o s i v es t a t ee q u a t i o n s 需要指出的是，用L s D Y N A 模拟计算爆炸波 是建立在等效连续介质模型的基础之上的，这与建 立在不连续介质模型基础上的3 D E C 不尽相同，后 者更接近节理岩体的真实情况。所以，用L s D Y N A 模拟计算的爆炸波是一个近似值。但是，如果 爆炸波的记录点位于离爆源足够近的岩体中时，岩 石节理的影响会很小，那么用L s D Y N A 模拟计算 的爆炸波与真实情况的误差可以忽略。见表3 。 表3 等效连续介质岩体的基本力学特性 T a b l e3 P r o p e r t i e so fe q u i v a l e n tr o c km a s s 为了符合精度的要求，玛一D Y N A 网格划分时，每 一个岩块都被划分成与3 D E C 同尺寸的四面体单元。 记录孔壁单元3 个方向的爆炸波速度时程，输 出为E x c e l 格式，转换成3 D E C 可读的T X T 文件，分 别作为其3 个方向的振动荷载加载。 2 3 D E C 模型的建立 设模型节理东西走向，倾角2 0o ，其中台阶长度 1 0i n ，台阶高度1 0m ，坡角6 0o ，模型上部分宽度为 7m ，底部宽1 3m ，岩石材料参数见表3 ，其它参数见 表4 。分别建立4 种模型①完整岩体；②1 条节理 岩体；③2 条平行节理岩体；④2 条交叉节理岩体。 见表4 。 表4 岩体节理基本力学特性 T a b l e4 P r o p e r t i e so fr o c km s sw i t hj o i n t 法向刚度／剪切刚度／内聚力／内摩擦角／抗拉强度／ G P a n l ‘1 G P a m 。1 M P a 。 M P a 3 参数的选取 3 ．王网格单元尺寸选取 3 D E C 模拟中，网格单元的尺寸不应大于波长 的1 ／8 ～1 ／1 0 。 A l ≤鑫一寺，A2 号 式中越为沿着波传播方向的差分三角形网格单元 的最大长度；A 为最短波长，即最高频率所对应的波 长；c 为波的传播速度，为波的频率。 在3 D E C 中，确定的网格尺寸所允许的波形不 失真的最高频率L 为 L 志 式中，c 为取现场实测的纵波和横波中波速较小者。 以贵州遵义新火车站站前广场土石方爆破工程 为背景，对爆破前的岩体状况进行了检测，结果表 明，爆前岩体的弹性纵波波速为4 2 3 2m ／s ，横波波 速为1 8 6 9m ／s 。对于爆炸波的输人是由L S D Y N A 模拟爆破得到爆炸波速度波形，由上式可得丘。为 3 7 3H z 。所以本次模拟选取的离散元网格尺寸 0 ．4m 满足上述要求。 3 ．2 阻尼的选取 在3 D E C 解决动力问题时，阻尼常采用R a y l e i g h 阻尼和局部阻尼 1 0 c a ld a m p i n g ，采用R a y l e i g h 阻尼， 通过D A M P 命令加载，且指定参数／0 和亭嘶。来实现。 { 。 m 一／2 , r r o 叫，2 瓜，毛。 、f o 式中d 和口分别是质量阻尼比例系数和刚度阻尼 比例系数，可由下式确定 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 f a 鹗 孝。。一孝n t o m t o t o I a 1 厂7 i L 考mn J {一 ”一n I | | B 鹗 立一盘1。 一∞吧十∞n 、∞m ∞n 7 式中∞。∞。分别是第m 、／／, 阶自振频率；f m 、六分别 为第m 、r ／, 阶自振频率所对应的阻尼比，对于节理裂 隙系统，根据工程经验，一般可取拱坝的1 阶和5 阶 频率，并假定它们的阻尼比取5 ％。 3 ．3 输入动力荷载 在3 D E C 中，动力荷载的输入有2 种方式一种 是速度时程输入，要求给定确切的速度时程，如果只 有一个加速度时程也是可行的；另一种是应力输人， l 妻鏊濑 疑编器害鬈主嬲 E 整岩1 4 畦襄黧嚣嚣 禽；3 9 瞻露；‘g g 鼹嚣 将速度记录的时程转化为应力，并且应用于无反射 粘性 边界上。采用应力输入方式，用T A B L E 命 令导人振动波速度时程。 4 结果与认识 待爆山体主要为灰岩，致密、坚硬，属坚硬岩类， 中、微风化，其静态抗拉强度为3 ．5M P a ，动态抗拉强 度是静态时的1 一1 0 倍，取2 5M P a ，工程实际测得的 岩石平均抗拉强度要小些。输入块体和节理的参数 后，经过6 0 0 0 次迭代，岩体质点振动速度逐渐减小直 至达到平衡状态。岩体中的最小主应力和最大主应 力如图1 所示 图中应力拉应力为正，压应力为负 。 o ‘- ⋯⋯●r 2t e t t 二L 日眦岍d ㈨’ 1x t H 矾ty f o t d I ■ J ㈣d1 0 D t 4 t , Q b ￡．f 可d v e { “M a I e ●m ‘N a ●0n ’W 日n 帕n t - 心l f l j d 袖’i 、0 v t t 咐『n t r 轴P C X I n 铂u e ，F ’佣C 眦V 、●nF m I n “ n ■e o n ∞u 怕． 培f 嘲- 矗0 0 0 昏吖 一 n o m、舳 ‘、1 ■6 由∞E r 柏7 口∞㈣∞ ■o 仪，口笔t ∞氍O ∞B 0 7 ■E 。。o 毫0 7 ’O O O g * o l t 甚褪8 蹯勰．≥g 疆疆灌 ●2o c x E ．o o2 ．H 帕E ．∞ ’} ■B 矗 霉o n Zk n f l 口n tu p q b 舯 3 r ，口t 日 ov 艄l ；峨 4n k y v e C 埙D 帽日’e - ”1 w q7 - O D , h I ；■ 一，n d ∞∞n Y H H n d 眦 a e 毛1 e a G e1 1 埘e ，，帕眦 ”m 州，x l I r q - O e j n ‘1 0 } C 帅vV ■杆R 唧 ，r 帅盘tc o n t o u r * ’ I 嘲f v a t l 。a ∞E ∞1 - 姻廷誊巍蘸爱 ■ ∞∞0 825 0 * ∞ U25 【的E ‘∞3 s 0 0 ￡删 圈3s c K 拦w ，84 “腿瞄 图16 0 0 0 步迭代后岩体中的最小主应力分布图 F i g ．1 M i m m u mp r i n c i p a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na f t e r6 0 0 0s t e p ．通过采用三维离散元模拟岩体在爆炸应力波作 用下的破坏过程，取得了以下几点认识 1 闭合型宏观裂隙阻碍爆炸应力波的传播。 由模拟结果可以看出，台阶爆破中应力波的分布并 不均匀，应力波主要朝自由面的方向传播。 2 闭合型宏观裂隙的数量影响爆炸应力波的 传播。相对于完整模型，2 条平行裂隙将应力区域 划分成3 部分，相交裂隙的应力区域分散更明显。 3 裂隙的存在影响最小主应力波的幅值。当 有裂隙存在时，最小主应力降低的较快，当有2 条平 行裂隙时，最小主应力幅值降低了约2 0 ％，2 条裂隙 成相交状态时，最小主应力幅值降低了约3 0 ％。 [ 1 ] 邹定祥．计算露天矿台阶爆破块度分布的三维数学模 型[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 8 4 ，4 3 4 8 - 5 9 ． [ 1 ] Z O UD i r l g 面a l l g ．At h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l i nc a l c u l a t i n gt h em c kf r a g m e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no fb e n c h b l a r i n gi no p e np i t [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s 。 1 9 8 4 ，4 3 4 8 - 5 9 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 杨军，金乾坤．应力波衰减基础上的岩石爆破损伤 模型[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 0 ，2 0 3 2 4 1 - 2 4 6 ． [ 2 ] Y A N GJ u n ，J I NQ i a n - k u n ．An e wd a m a g em o d e lf o rr o c k f r a g m e n t a t i o nb yb l a s t i n gb a s e do ns t r e s sw a v ea t t e n u a t i o n [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 0 ，2 0 3 2 4 1 ．2 4 6 ． i nC h i n e s e [ 3 ]杨军，高文学，金乾坤．岩石动态损伤特性实验及爆破 模型[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 3 3 2 0 - 3 2 3 ． [ 3 ] Y A N GJ u n ，G A OW e n x u e ，J I NQ i a n k u n ．E x p e r i m e n to n d y n a m i cd a m a g ep r o p e r t yo fr o c ka n dn e wd a m a g em o d e l f o rr o c kf r a g m e n t a t i o nb yb l a s t i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 。2 0 3 3 2 0 - 3 2 3 ． i nC h i n e s e [ 4 ]赵坚，陈寿根，蔡军刚，等．用U D E C 模拟爆炸波在 节理岩体中的传播[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 2 ， 3 1 2 l l l 1 1 5 ． [ 4 ] Z H A OJ i a n ，C H E NS h o u g e n ，C A IJ u n g a n g 。e ta 1 ．S i m u - l a t i o no fb l a s tw a v ep r o p a g a t i o ni nj o i n t e dr o c km 嘲u s i n g U D E C [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h - n o l o g y ，2 0 0 2 ，3 1 2 1 1 l 一1 1 5 ． i nC h i n e s e 万方数据