【采礦】爆炸應(yīng)力波研究入門(mén)

<爆破載荷下圍巖的穩(wěn)定性>

2005.12.24煤礦消費(fèi)中，不可防止地產(chǎn)生爆破載荷，其主要方式：巷道掘進(jìn)〔炮掘〕、巖爆、瓦斯爆炸以及其他動(dòng)力型災(zāi)禍。如何盡能夠減少爆破應(yīng)力波對(duì)巖石損傷與破壞，有效維護(hù)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(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(duì)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(dāng)外載荷作用于可變形的固體的部分外表時(shí)，一開(kāi)場(chǎng)只需直接遭到外載荷作用的外表部分的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)因變形而分開(kāi)了初始平衡位置，由于這部分介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然將遭到相鄰質(zhì)點(diǎn)的作用力，同時(shí)也給相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)予反作用力，因此使相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)分開(kāi)平衡位置而運(yùn)動(dòng)起來(lái)。由于質(zhì)點(diǎn)的慣性，相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將滯后于外表介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。依次類(lèi)推，外載荷在外表引起的擾動(dòng)將在介質(zhì)中逐漸由近及遠(yuǎn)傳播開(kāi)去。這種擾動(dòng)在介質(zhì)中的由近由近及遠(yuǎn)的傳播即是應(yīng)力波。其中的擾動(dòng)與未擾動(dòng)的分界面稱為波陣面，而擾動(dòng)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(shí)二、巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)無(wú)限介質(zhì)中的彈性應(yīng)力波一維長(zhǎng)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(wú)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(wú)旋波和等容波動(dòng)搖方程一致方式如下：Ψ表示波的位移勢(shì)函數(shù)，C表示彈性波的波速。對(duì)無(wú)旋波C=C1，對(duì)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(zhǎng)桿中的應(yīng)力波根本假設(shè)一：桿截面在變形過(guò)程中堅(jiān)持平面，沿軸向只需均布的軸向應(yīng)力。使得各運(yùn)動(dòng)參量都只是X和t的參數(shù)，問(wèn)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(wú)關(guān)實(shí)際，不思索應(yīng)變率對(duì)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(duì)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(zhǎng)桿中的彈性波傳播到另一端時(shí)，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(diǎn)速度為０，而應(yīng)力加倍．相當(dāng)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(diǎn)應(yīng)力為０，而速度加倍．相當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(kāi)，被拉斷的一端是B。在固定端最早到達(dá)反射后的應(yīng)力疊加，大小為原來(lái)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(huì)構(gòu)成拉伸波。這些反射回來(lái)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(dòng)態(tài)的斷裂準(zhǔn)那么，那么將在該處引起資料破斷，裂口足夠大時(shí)，整塊的裂片便會(huì)攜帶著其中的動(dòng)量而飛離。層裂的過(guò)程中，在第一層層裂出現(xiàn)的同時(shí)，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(lèi)推，在一定條件下會(huì)構(gòu)成多層層裂。３２１爆破應(yīng)力源應(yīng)力波源(點(diǎn)載荷)反射波入射波心裂點(diǎn)載荷〔應(yīng)力波〕引起直圓柱體的破裂〔角裂、心裂〕點(diǎn)載荷〔應(yīng)力波〕對(duì)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(guò)程應(yīng)力波傳播的過(guò)程——應(yīng)力波對(duì)巖體構(gòu)造作用的過(guò)程4.1爆炸載荷耦合裝藥：炸藥充溢整個(gè)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(diǎn)速度與聲速經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定炸藥爆速求各個(gè)值不耦合條件下Pm為爆轟產(chǎn)物開(kāi)場(chǎng)是平均爆轟壓Pi入射壓4.2巖石中的應(yīng)力波速?gòu)椥圆ㄔ诮橘|(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度ρ及其動(dòng)力變形參數(shù)Ed，μd有關(guān)。因此可以經(jīng)過(guò)測(cè)定巖體中的彈性波速來(lái)確定巖體的動(dòng)力變形參數(shù)。4.3巖體中應(yīng)力波波速的測(cè)定地震法聲波法選擇代表性測(cè)線，布置測(cè)點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖石〔巖體〕內(nèi)縱波和橫波速度，可以計(jì)算得到巖石的動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)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(dòng)態(tài)泊松比、巖石的動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、動(dòng)態(tài)體積彈性模量、動(dòng)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(dǎo)致彈性波速添加。巖體處于常溫時(shí)，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(guò)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(dòng)時(shí)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(guò)巖石夾層的透射；三角形應(yīng)力波經(jīng)過(guò)夾層的透射；李夕兵等總結(jié)不同應(yīng)力波形經(jīng)過(guò)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(ài)紅經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)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(shí)間的添加導(dǎo)致衰減系數(shù)增大。二、巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)——分別式霍布金森壓桿

SplitHopkinsonPressureBar(SHPB)Test1巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)霍布金森壓桿測(cè)試系統(tǒng)，可以記錄加載脈沖的應(yīng)力—應(yīng)變、應(yīng)力—時(shí)間、應(yīng)變—時(shí)間、應(yīng)變率—時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線相關(guān)研討現(xiàn)狀中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的單仁亮利用SHPB對(duì)花崗巖、大理巖的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)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(guó)科技大學(xué)的席道瑛等利用SHPB進(jìn)展長(zhǎng)桿沖擊實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)：大理巖的構(gòu)造構(gòu)造相對(duì)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(xué)的于亞倫利用SPHB對(duì)不同圍壓下砂巖的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度特性進(jìn)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(guó)內(nèi)運(yùn)用較多的程序是LS-DYNA程序,它是一個(gè)顯示非線性動(dòng)力分析通用的有限元程序,可以求解各種二維、三維爆炸動(dòng)力呼應(yīng)問(wèn)題，運(yùn)用該程序?qū)鲜冶?、臺(tái)階爆炸、藥壺爆炸進(jìn)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(shí)例引見(jiàn)：吳詳云等推導(dǎo)了平面應(yīng)變條件下的圓形硐室構(gòu)造動(dòng)力計(jì)算方法，給出了圓形硐室構(gòu)造動(dòng)力分析的解析解，并對(duì)不同構(gòu)造厚度及不同鞏固巖體進(jìn)展了計(jì)算，得到了符合宏觀定性分析的計(jì)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(hù)與襯砌構(gòu)造計(jì)算研討>四、前人研討結(jié)論成果謝勇謀等分析了開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在圍巖的傳播及對(duì)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。——<爆破對(duì)巖爆產(chǎn)生作用的初步討論>易長(zhǎng)平等運(yùn)用LS-DYNA軟件研討了爆破震動(dòng)對(duì)臨近隧道的影響，分析了不同爆破方式下對(duì)臨近隧道的不同影響?！?lt;開(kāi)挖爆破對(duì)臨近隧洞的震動(dòng)影響研討>盧愛(ài)紅在博士論文<應(yīng)力波誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研討>中，運(yùn)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(qiáng)度條件下〕及應(yīng)力波特征〔應(yīng)力波強(qiáng)度、應(yīng)力波上升時(shí)間〕對(duì)應(yīng)力波作用下巷道圍巖的失效破壞的影響。得到：對(duì)于不同埋深的巷道，在給定應(yīng)力波強(qiáng)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(dāng)埋深超越某一臨界值〔H>500m〕時(shí)，隨巷道埋深的添加，巷道層裂的范圍有增大的趨勢(shì)，巷幫層裂破壞范圍變大，使得層裂構(gòu)造失穩(wěn)時(shí)，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(shì)。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(shí)間t、巷道埋深H、擾動(dòng)應(yīng)力波強(qiáng)度對(duì)二者的影響。經(jīng)過(guò)研討闡明：在應(yīng)力波作用下，圍巖中的正應(yīng)力隨時(shí)間呈動(dòng)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(méi)有擾動(dòng)時(shí)顯著添加；擾動(dòng)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(dá)190%，垂直應(yīng)力的最大增幅到達(dá)217%，等效應(yīng)力最大增幅到達(dá)47%。運(yùn)用類(lèi)似模擬實(shí)驗(yàn)的方法，分析應(yīng)力波特性、巖性參數(shù)對(duì)巷道圍巖的破壞以及測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的影響。得到：隨著間隔的添加，應(yīng)力波的時(shí)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(dòng)爆源與巷道頂板的間隔，巷道離爆源越遠(yuǎn)就不會(huì)出現(xiàn)裂紋，隨間隔的減少