初始应力下岩石爆破过程模拟研究

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由于浅部资源的减少及某些工程的需要,资源开采和隧道开挖都进入了深部地下。深部岩体往往处于高初始地应力环境中,爆破时,岩石在初始应力和爆炸载荷的共同作用下而破裂,这个过程非常复杂,已经不能用浅部岩体的爆破理论来分析了。因此有必要对初始应力下岩石的爆破过程进行分析。本文利用有限元软件LS-DYNA和ABAQUS对初始应力下的岩石爆破过程进行了数值模拟研究,完成了如下的工作:(1)从理论上分析了岩石爆破的过程,结合岩石爆破过程,分析了岩石在爆炸动载荷下的应变率效应、岩石爆破的动力学进程以及爆炸载荷和初始应力的叠加。(2)利用LS-DYNA对初始应力下球状装药的岩石爆破过程进行了数值模拟,对比了不同抵抗线下的爆破漏斗大小,结果表明:不同抵抗线下形成的爆破漏斗差别很大,本文计算的模型中,抵抗线W=20mm时爆破漏斗最大,初始应力不影响球状装药应力波的传播,但会抑制垂直于初始应力方向的爆破漏斗的形成;对初始应力下柱状装药岩石爆破过程进行了数值模拟,结果表明:初始应力不影响柱状装药爆炸应力波的传播和衰减,也不影响爆破粉碎区的形成,但会抑制垂直于初始应力方向的裂纹的形成;对卸载初始应力下的岩石爆破过程进行了数值模拟,结果表明:卸载应力波可以改善岩石中应力场的分布,并促进爆破裂纹的形成。(3)利用LS-DYNA对初始应力下排孔爆破过程和预裂爆破过程进行了数值模拟,结果表明:各炮孔距离合适时,不同炮孔之间形成贯通裂纹,当排孔与初始应力平行时,排孔爆破效果最好,排孔与初始应力垂直时,排孔爆破效果最差,预裂爆破中,排状的预裂孔、炮孔和初始应力平行时,预裂孔能诱导两炮孔间裂纹的形成;对初始应力下含节理的岩石爆破过程进行了数值模拟,结果表明:节理对爆炸应力波有透射和反射作用,并使岩石产生反射拉伸裂纹,但贯通节理阻碍了裂纹的进一步扩展,当局部节理尖端、炮孔连线与局部节理之间夹角较小时,局部节理尖端可以诱导裂纹扩展;对初始应力下含空区的岩石爆破过程进行了数值模拟,结果表明:空区给爆破提供了自由面,改善了岩石中应力分布和爆破效果。(4)利用ABAQUS对爆生气体驱动裂纹扩展过程进行了数值模拟,结果表明:随着裂纹的扩展,爆生气体压力减小,裂纹扩展速度降低,当爆生气体压力达到临界压力时,裂纹停止扩展;对初始应力下爆生气体驱动裂纹扩展过程进行了数值模拟,结果表明:初始应力会抑制垂直于初始应力方向的裂纹的扩展,当初始裂纹方向与初始应力方向或初始应力合力方向一致时,裂纹沿着原来的方向扩展,否则,裂纹偏向初始应力大的方向扩展。
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