含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析
cdem法
CDEM（Continuous-Discontinuous Element Method）是一种有限元与离散元耦合的显式数值分析方法，主要用于岩土等材料渐进破坏过程的模拟。
该方法的特点是，在模拟材料弹塑性变形的同时，可以模拟显式裂缝在材料中的萌生、扩展及贯通过程。
CDEM中的数值模型由块体及界面两部分构成。
块体由一个或多个有限元单元组成，用于表征材料的弹性、塑性、损伤等连续特征；两个块体间的公共边界即为界面，用于表征材料的断裂、滑移、碰撞等非连续特征。
CDEM中的界面包含真实界面及虚拟界面两个概念，真实界面用于表征材料的交界面、断层、节理等真实的不连续面，其强度参数与真实界面的参数一致；虚拟界面主要有两个作用，一是连接两个块体，用于传递力学信息，二是为显式裂纹的扩展提供潜在的通道（即裂纹可沿着任意一个虚拟界面进行扩展）。
CDEM采用基于增量方式的显式欧拉前差法进行动力问题的求解，主要包含节点合力计算及节点运动计算两个部分。
节点合力计算如式（1）所示，为：F=FE+Fe+Fc+Fd （1）其中，F为节点合力，FE为节点外力，Fe为有限元单元变形贡献的节点力，Fc 为接触界面贡献的节点力，Fd为节点阻尼力。
节点运动计算如式（2）所示，为：a=a+v+ （2）其中，a为节点加速度、v为节点速度、为节点位移增量，u为节点位移全量，m 为节点质量，为计算时步。
基于式（1）、式（2）的交替计算，即可实现显式求解过程。
此外，CDEM还具有以下特点：有限元部分的求解采用增量法进行有限元单元应力及节点变形力的计算。
离散元部分的求解则主要关注颗粒或块体之间的相互作用和运动。
CDEM通过将连续介质数值方法与非连续介质数值方法进行深度融合，实现了能量层面上的统一。
该方法可实现地质体及人工材料渐进破坏过程的模拟。
以上内容仅供参考，建议查阅关于CDEM的专业文献或咨询相关专家以获取更全面准确的信息。
动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟
第26卷 第5期岩石力学与工程学报 V ol.26 No.52007年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ，2007收稿日期：2006–11–18；修回日期：2006–12–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50490274，50504005)；地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金项目(GZ2005–01)作者简介：朱万成(1974–)，男，博士，1995年毕业于东北大学采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。
E-mail ：wczhu@动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟朱万成1，左宇军2，尚世明1，李占海1，唐春安3(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004；2. 大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁 大连 116622；3. 大连理工大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 大连 116024)摘要：处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。
模拟不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。
数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。
因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。
关键词：井巷工程；动力扰动；失稳破坏；数值模拟中图分类号：TD 26 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)05–0915–07NUMERICAL SIMULATION OF INSTABLE FAILURE OF DEEP ROCKTUNNEL TRIGGERED BY DYNAMIC DISTURBANCEZHU Wancheng 1，ZUO Yujun 2，SHANG Shiming 1，LI Zhanhai 1，TANG Chun ′an 3(1. School of Resources and Civil Engineering ，Northeastern University ，Shenyang ，Liaoning 110004，China ； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure ，Dalian University ，Dalian ，Liaoning 116622，China ； 3. Center for Rock Instability and Seismicity Research ，Dalian University of Technology ，Dalian ，Liaoning 116024，China )Abstract ：The dynamic disturbance may trigger the instable failure of rock mass when the high elastic strain energy is accumulated in the deep underground rock mass ；and in turn it leads to occurrence of rockbursts. By considering the effect of different lateral pressure coefficients ，the failure process of deep rock tunnels ，which is triggered by dynamic disturbance ，is simulated in order to clarify the failure mechanisms of tunnels at depth. The numerical results indicate that the triggering action of dynamic disturbances is closely pertinent to the static in-situ stress condition and the waveforms of the dynamic disturbance. In general ，it brings about greater influences on the stability of underground tunnels with the increasing magnitude and with the prolonged duration of dynamic disturbance. Therefore ，it is of theroetical and practical significance to investigate the effect of dynamic disturbance on the stability of underground tunnels.Key words ：tunneling engineering ；dynamic disturbance ；instable failure ；numerical simulation1 引 言岩爆是在深部高地应力岩体中开挖地下洞室时常发生的矿山地质灾害，它是由于岩石中积蓄的弹性应变能突然释放而发生的、以急剧猛烈为特征的动力现象，是岩体的一种脆性破裂过程。
回采巷道受二次采动影响的破坏规律及支护方案
38 /矿业装备 MINING EQUIPMENT回采巷道受二次采动影响的破坏规律及支护方案□ 张铁刚 西山煤电西曲矿随着无轨胶轮车运输的推广及工作面巷道布置方案的不断优化，越来越多的矿井采用三巷布置的方式进行工作面开采，即工作面布置有辅运、胶运及回风三条巷道。
辅助运输巷由于在本工作面采空后，会作为相邻接续工作面的回风巷进行使用，受到两次工作面开采的扰动，因此，巷道变形较为严重，容易引发顶板事故。
1 矿井概况西曲煤矿8#煤位于为位于太原组中上部，煤层厚1.55～11.9 m，平均厚5.8 m，为稳定的全区可采煤层。
28307综采工作面宽300 m，采高为4.8 m。
顶板为泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、泥岩、细砂岩。
28307工作面共布置有三条巷道，包括辅运、胶运及回风顺槽。
其中28307辅运顺槽在28307工作面回采结束后，将作为相邻接续工作面28308工作面的回风顺槽进行使用，巷道服务时间长，受到两个工作面的开采影响，巷道破坏较为严重。
28307辅运顺槽宽5.2 m，高4 m，煤柱宽度为20 m。
巷道支护方式为锚网索联合支护顶板及负帮采用Φ18 mm×2 000 mm 的圆钢锚杆，正帮采用Φ22 mm×2 000 mm 玻璃钢锚杆，锚索为Φ15.24 mm×6 000 mm 的高强度锚索。
锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，锚索间排距为3 000 mm×3 000 mm。
正帮采用塑料网片，顶板及负帮采用钢筋网。
2 巷道破坏规律通过对28307辅运顺槽进行观测，巷道顶帮围岩的破坏规律如下：（1）巷道帮部破坏规律工作面前方巷道受到回采影响较小，巷道未发生明显破坏。
在工作面后方0～100 m 范围内，巷道变形逐渐加大，在100 m 位置附近巷道破坏速度加剧。
在工作面后方 200 m 位置，巷道破坏稳定，巷道两帮移近量约为1.48 m。
且巷道煤柱侧帮部片帮严重，锚杆失效数量较多。
数值模拟
采矿工程数值模拟分析报告学院：资源与安全工程学院班级：硕13-3班姓名：孟浩学号：TSZ130101026Q中国矿业大学(北京)2013年1月2日1关键问题1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。
根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。
本项数值模拟分析报告是根据龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层1301工作面实际工程条件，以煤层赋存条件、采矿工程条件和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值分析软件进行数值分析计算，模拟并分析开采高度分别为9.0m 时，不同推进距离（8m、24m、48、80m）条件下，工作面前方支承压力分布、顶板来压步距、覆岩冒落高度、塑形破坏范围等,对提前预知、预防和减少灾害发生提供理论和实验依据。
2工程背景地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。
矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。
3煤层平均厚度为8.82m，可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。
随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。
因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。
3.软件介绍FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国ITASAC公司于20世纪80年代提出并程序化，是岩土连续介质的二维和三维专业分析软件。
巷道变形破坏的因素及控制方法
第 27 卷第 4 期 2008 年 4 月
煤 炭 技 术 Coal Technology
2
效果
该套设计技术方案简捷可靠, 省略了动力排水
设备和高低压供配电系统。仅在后期以很小的真空 动力启动系统, 便可利用池内水位标高能量, 实现无
收稿日期 : 2007- 12- 27; 修订日期 : 2008- 02- 28
作者简介 : 曾正良 ( 1955- ) , 男 , 云南文山人 , 高级讲师 , 毕 业于原中国矿业 学院矿建 专业 , 现 在云南能 源职业 技术学 院从事 管 理和教学工作 ,T el: 0874- 9228688。
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煤 炭
技
术
第 27 卷
节理。层理是原生沉积形成的弱面 ; 节理主要是指 地质构造应力引起且通常成组出现的微细裂隙; ( 3) 顶板岩层的分层厚度、 顶板中是否存在软弱 岩层以及软弱岩层赋存的位置和厚度, 也对掘巷后 的顶板动态和巷道变形破坏有重要影响。 1 1 2 巷道埋藏深度 随着开采深度的增加, 以自重应力为主的地应 力也随之增加。 大而增加 ; 巷道顶底板移近量通常随采深加 深部巷道很容易出现底鼓现象, 这对底
板软弱的情况 更为严重; ! 随着采深 增加, 地 温升 高, 促使岩石从脆性向塑性转化, 也容易使巷道围岩 产生塑性变形, 所以底鼓问题是深部矿井巷道控制 的难题之一。总之, 对巷道变形破坏的影响, 随着采 深加大巷道控制将更加困难。 1 1 3 煤层倾角 由于围岩主要来压方向通常垂直于顶底板, 故 煤层倾角不同时 , 巷道主要受压方向不同, 往往改变 巷道变形破坏形式和使支架受载不均衡。如近水平 煤层中的巷道, 顶板多出现对称弯曲下沉; 而倾斜或 急斜煤层中的巷道则常出现非对称变形和破坏 , 当 顶板中存在大倾角的密集光滑节理时, 可能出现抽 条式局部冒顶。通常, 位于大倾角煤层中的巷道顶 部压力较小, 而侧向压力尤其是顶帮一侧压力较大 , 常导致巷道鼓帮和支架腿产生严重变形。 1 1 4 地质构造 主要是指断层、 褶曲等影响。煤 ( 岩) 层中最常 遇到的构造破坏是断层, 断层两侧通常存在大量断 层泥和断层角砾岩等未经胶结 成岩石的松散 集合 体, 而且有的已经片理化 , 具有断层擦痕或镜面 , 因 此断层破碎带内物质之间的粘结力、 摩擦力都很小 , 自承能力很差, 一旦悬露就很容易冒落。褶曲有时 会改变原岩应力分布, 小褶曲可能使巷道顶板局部 破碎。巷道处于这种地质构造破坏带, 经常会发生 不同规模的冒顶事故。 1 1 5 水 巷道围岩中含水较大时 , 将会加快和加剧巷道 的变形和破坏。对于节理发育的坚硬岩层, 水使受 节理剪切的破碎岩块之间的摩擦系数减小, 容易造 成个别岩块滑动和冒落。同时 , 岩石受水后普遍有 软化现象 , 使其强度降低。对于泥质类软岩, 遇水后 会出现泥化、 崩解、 膨胀、 碎裂等现象, 从而可能造成 围岩产生很大的塑性变形。由于通过裂隙流到巷道
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究井底车场巷道是指井下采矿过程中将煤矿运输到井口的地下巷道。
由于采矿工作环境复杂，井底车场巷道在长期使用过程中往往会出现各种破坏情况，如顶板下沉、墙面垮塌等。
这些破坏不仅会威胁采矿工人的生命安全，还会影响矿井的正常生产。
对井底车场巷道的破坏原因进行分析，并采取有效的支护加强设计方案对该问题进行实践应用研究具有重要意义。
一、井底车场巷道破坏原因分析1.地质条件不稳定井底车场巷道处于地下深层岩层中，地质条件十分不稳定。
煤矿地层往往存在大量断裂带和软弱带，地质构造不规则，这些都会导致井底车场巷道的地质条件不稳定，从而引发顶板下沉、墙面垮塌等问题。
2.采煤作业对巷道的影响在进行采煤作业的过程中，会对井底车场巷道的周围岩层产生变形和运动，从而导致巷道结构受到破坏。
尤其是在长壁采煤工作面附近，因煤体开采导致的岩石裂隙扩展和岩层变形，会对巷道的稳定性造成严重影响。
3.巷道支护不到位井底车场巷道的支护工作十分重要，若支护设计不合理、支护材料不足或施工质量不过关，都会导致巷道支护不到位，进而导致巷道结构破坏，威胁采矿工人的生命安全。
二、支护加强设计方案实践应用研究1.采用合理的支护方式在井底车场巷道的支护设计中，应按照巷道的地质条件和采煤工艺特点选择合适的支护方式，如使用锚杆、钢支撑、预应力锚索等支护技术进行巷道支护。
2.合理布置巷道支护材料在支护设计中，应合理布置巷道支护材料，确保巷道的整体结构受到有效支撑和保护。
可以采用聚酯树脂注浆、喷浆、喷筋、喷锚等技术，加固巷道的岩壁和顶板。
3.提高支护施工质量支护施工质量直接关系到巷道的稳定性和安全性，应加强对施工人员的技术培训和质量管理，确保支护施工质量符合规范要求。
4.加强巷道监测和维护对已加强支护的井底车场巷道，要加强巷道的监测和维护工作，定期检查巷道的支护结构情况，并及时进行维护和加固。
某矿井的井底车场巷道在长期使用过程中出现了顶板下沉和墙面垮塌等问题，为解决这一难题，矿井决定对巷道进行支护加强设计方案的实践应用研究。
FLAC在地下巷道离层破坏非线性数值模拟中的应用
2D
产、 施工及其它信息大多数都是不确定的 , 也就是说以上这些信息呈模糊性 、 随机性 、 未确定性和 不完全性。 本文主要探讨岩石力学非线性计算软件 中的应用。 关键词: 离层破坏 ; 非线性 ; 数值模拟 中图分类号 : T D 353 文献标识码: A
0
引
言
岩土 ( 体) 系统高度的非线性是阻碍岩土工程发展的主要问题。由于非线性存在 , 使人们对岩土变形 破坏机理认识模糊, 引进的数学、 力学模型有时失效, 岩土工程定量化问题难以实现。岩体具有非常复杂 的力学特性, 它与成岩过程、 地质赋存环境和工程活动密切相关。在把岩体力学性态抽象成数学模型时 , 很难把上述诸因素都作为变量纳入并加以分析, 以至计算结果与实际情况相比具体很大的离散性 , 这是岩 石力学发展过程中仍未明确解决的问题。岩体系统是高度非线性复杂大系统, 并始终处于动态不可逆变 化之中。因此, 要对它的力学行为进行预测与控制 , 必须借助于当代非线性科学, 建立适合于岩石力学与 工程特点的岩石非线性静力与动力系统理论 , 作为 21 世纪岩石力学理论发展的突破口。 70 年代非线性理论已成为解决非线性复杂大系统问题的有力工具 , 也是研究岩石非线性系统理论的 数力基础。发展非线性岩石力学的总体思想是 : 以现代非线性科学为基础, 结合岩体自身特点与工程特 点, 建立相应的力学模型 ( 包括分析模型和数值模型) , 走定性与定量方法相结合的发展道路。具体相应的 力学模型 ( 包括分析模型和数值模型) , 走定性与定量方法相结合的发展道路。具体技术思路应包括: ! 全 方位观察、 获取原始数据 ; ∀ 提取关键变量; # 建立适应工程特点和岩体特点的各类模型。包括系统模型 与局部模型、 概念模型和数学模型 , 以及依据理论基础划分的各种模型, 如分叉、 分形、 神经网络模型等; ∃ 求解方法以及模型验证和修改等方面。 地下隧道和矿山巷道上覆岩层层裂是岩土工程中典型的非线性破坏问题。其复杂性、 高度非线性、 不 确定性正如 Einst ein 和 Beacher 所指出的 : ! 岩体本身固有的不均匀性; ∀ 工程参数量测和取样引入的误 差( 岩土参数的不确定性和离散性是岩土工程的特点之一) ; # 模型不准确引起的不确定性, 这就决定了它 很难用确定的量来加以确定性的描述。一般来说, 地下工程开挖之前 , 结构岩体处于一种准静态平衡状 态。地下工程开挖之后, 这种平衡状态遭到破坏, 使得采场上覆岩体远离平衡, 发生一系列的破坏现象, 该 过程是一种突变运动, 包括采 动断层 ( 节理 ) 的滑移 , 层理的开裂 , 离层 的扩展, 节理 岩梁的失稳冒 落等 等[ 1] 。这些破坏形式导致围岩变形过程中的剧烈性、 复杂性和高度非线性 , 因此, 寻找一种能很好解释和
非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型
非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型一、本文概述本文旨在深入探讨非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型，分析其在工程结构损伤演化与破坏过程中的重要作用。
随着科技的不断进步，对材料在复杂动力环境下的响应行为及损伤演化规律的理解需求日益增强。
非线性动力损伤力学理论正是为满足这一需求而发展起来的重要学科分支，它综合考虑了材料的非线性特性、动力效应以及损伤演化过程，为预测和防止结构破坏提供了理论基础。
本文将首先回顾非线性动力损伤力学的发展历程和基本原理，阐述其相较于传统线性理论的独特优势。
接着，重点介绍几种典型的非线性动力损伤力学模型，包括其构建方法、主要特点和适用范围。
在此基础上，本文将深入探讨数值分析模型在非线性动力损伤力学中的应用，包括离散化方法、求解算法以及相关的软件工具。
本文还将关注非线性动力损伤力学在工程实际中的应用案例，分析其在预测结构损伤和破坏过程中的实际效果。
对非线性动力损伤力学领域未来的发展趋势和挑战进行展望，以期为该领域的深入研究和实践应用提供参考和启示。
二、非线性动力损伤力学的基本理论非线性动力损伤力学是固体力学的一个新兴分支，主要研究材料在高速、大变形和复杂应力状态下的损伤演化规律。
其基本理论涵盖了损伤变量的定义、损伤演化的本构方程、损伤与变形的耦合关系以及损伤诱发的材料性能退化等方面。
损伤变量是描述材料内部损伤状态的关键参数，通常与材料的微观结构变化、内部缺陷的扩展和累积有关。
根据损伤的类型和机制，损伤变量可以是标量、矢量或张量形式。
这些变量不仅反映了材料的当前损伤状态，还决定了其后续的力学行为。
损伤演化的本构方程是非线性动力损伤力学的核心。
它建立了损伤变量与应力、应变等力学变量之间的关系，描述了材料在受力过程中的损伤积累和发展规律。
这些方程通常包含损伤变量的演化速率、应力状态和材料的本征属性等参数，形式复杂且高度非线性。
损伤与变形的耦合关系是非线性动力损伤力学的另一个重要方面。
不同断面的巷道对爆破地震波的响应规律数值分析
不同断面的巷道对爆破地震波的响应规律数值分析袁伟;金解放;王杰;梁晨;郭钟群【摘要】为了有效减弱爆破地震波对既有巷道的不利影响,需根据巷道对爆破地震波的响应特点采取合理措施.采用数值模拟的方法,研究了正入射爆破地震纵波作用下,不同断面形式巷道的洞壁和围岩振动响应.结果表明,相同爆破地震波作用下,组合式断面巷道的振动响应近似等于对应基本断面式巷道的振动叠加.直墙式巷道的洞壁振速放大效应强于圆形、椭圆形巷道,其振速沿洞壁分布的空间变异性也更大.在迎爆侧,振速放大效应主要发生在距洞壁1倍洞高范围内的围岩体上,距洞壁越近的岩体,振速放大效应越严重.巷道洞壁振动响应对爆破地震波振动频率的变化较为敏感,随振动频率的变化,洞壁振动响应的强度、空间分布均发生变化,由断面几何性质导致的振动响应差异也随振动频率的增加而增大.%In order to effectively reduce the adverse effects of blasting seismic waves on existingroadways ,reasonable measures should be taken based on the actual response characteristics of roadways to the blasting seismic wave .The response of roadway walls with different sections and surrounding rock mass to the normally incident blasting seismic wave was studied using numerical simulation method .The results show that the vibration response of roadway with composite section is approximately equal to the superposition of which with the corresponding basic section under the same impact .The vibration velocity magnification effect of roadway wall with the section containing straight wall is stronger than that of the circular or elliptical ones ,and its spatial distribution variability along the wall of vibration velocity is greater . Vibration amplification effect mainlyoccurs in rock mass from the distance of 1 times the height of the tunnel wall ,and the closer from the wall ,the more serious vibration amplification is .The vibration response of roadway wall is remarkably sensitive to the change of vibration frequency of blasting seismic wave .The magnitudes and spatial distribution of vibration response change with the variety of vibration frequencies . Differences of vibration response caused by geometric properties of section increase with the increase of vibration frequencies .【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2018(027)006【总页数】7页(P130-136)【关键词】爆破地震波;巷道;数值模拟;不同断面;振动响应;频率敏感性【作者】袁伟;金解放;王杰;梁晨;郭钟群【作者单位】江西理工大学建筑与测绘工程学院 ,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院 ,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院 ,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院 ,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院 ,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】U455.6目前，在矿山巷道开挖、交通隧道掘进、水工隧洞建设等工程中，爆破开挖仍然是一种常用的、有效的施工方法。
基于弹性力学模型的巷道变形破坏分析
根据线性弹性力学的叠加原理，图3(a)可以等效为图 3(b)和图3(c)两个模型的叠加 ．由弹性力学可知，在水平 单向应力σH 的作用下，如图3(b)，巷道周围所引起的应 力分布为：
v
在垂直单向应力 σv的作用下，如图3(c)，巷道周围所引 起的应力分布为：
根据弹性叠加原理，将（7性力学模型的巷道变形破坏分析
随着浅部资源的逐渐消失，我国金属矿产资源的获得逐 步转入地下开采，越采越深．例如：金川矿山矿体埋藏深均在 500～600 m以下，最大深度已超过1 000 m ；山东省的玲珑 金矿也已到800米 ；铜陵狮子山铜矿的开采深度1 100 m ．因 此，分析研究矿山巷道的破坏机制，对于防范和治理巷道的各 种破坏具有十的实际意义．
将r=a代人，则得到巷道壁上的应力分布如图3(a)所示， 分别为天然应力； 为巷道的半径； 为极坐标角度(以水平 的x轴标起，反时针转动)
可见，巷道壁上仅有切向应力 ，径向应力和剪 应力都为零．在巷道壁上，是关于θ的函数
即巷道切向应力最大值点出现在巷道的正上、正下、 正左、正右4个方位．这一定程度上解释了实际巷道中的 破坏点总是发生在这些位置的原因． 将(9)式代入(10)式，
通常情况下，岩石的泊松比 μ为0．1—0．4，如坚硬岩 石的μ=0．2～0．3，因此系数λ往往小于1，即水平自重应 力 σx，σy 小于垂直自重应力 σx．但深部条件下， μ可能接 近于0．5，所以λ= 1．此时水平地应力接近垂直地应力，与 “静水压力”假说估计的结果一致。 值得注意的是，垂直应力一般并不等于自重应力，因为板 块移动、岩浆对流和侵入、岩体非均匀扩容、温度不均和
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煤矿巷道变形破坏机理及返修支护效果探析
煤矿巷道变形破坏机理及返修支护效果探析发布时间：2022-03-22T08:25:19.500Z 来源：《工程管理前沿》2021年第25期作者：王珏[导读] 本文首先分析了煤矿巷道变形破坏原因，接着分析了煤矿巷道掘进与支护技术的应用要点。
希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。
王珏山西省晋城市兰花集团东峰煤矿山西晋城 048000摘要：本文首先分析了煤矿巷道变形破坏原因，接着分析了煤矿巷道掘进与支护技术的应用要点。
希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。
关键词：煤矿巷道；变形破坏机理；返修支护效果引言：深部巷道支护问题是制约当前煤矿持续发展的关键问题。
从当前我国深部巷道支护实践来看，单一支护方式已经不能满足实际需求，需要更多地采用复合化的支护方案，这对于保证巷道整体的稳定性非常关键。
因此，对煤矿巷道变形破坏机理及返修稳定性控制进行分析，有着较为重要的意义。
1煤矿巷道变形破坏原因探析1.1巷道围岩承载能力偏低从巷道围岩组成情况来看，巷道所处地段围岩整体松软破碎，力学性能相对较差；围岩强度整体偏低，特别是在地下水的影响下，巷道围岩极限承载强度明显降低，导致巷道支护体出现了较多的失稳现象。
这也是导致巷道出现较为严重的剧烈变形和顶板出现较为明显的冒顶的主要原因。
所以，在对该巷道进行返修时，应当从改善巷道围岩整体承载性能和做好地下水防治入手，全面提升巷道整体稳定性。
1.2地下水影响明显通过对巷道顶底板岩性进行分析，其顶底板岩层中均含有较多的蒙皂石、高岭石等，这些物质的平均含量均超过了15%，总含量超过了35%。
这类物质整体表现出较强的吸水性，有着较强的吸附能力。
在吸水之后，巷道围岩体积出现了明显的膨胀变形，容易导致巷道围岩出现较大的变形，对巷道支护结构体系带来较大的破坏。
同时，巷道所处地段表现出明显的泥质胶结，对水表现出较强的敏感性，岩体遇水出现泥化的问题非常突出。
同时，在巷道掘进过程中含水量非常大，巷道围岩遇水之后破碎成泥。
不同断面形式深埋巷道围岩破坏数值模拟分析
收稿日期:2011-04-22基金项目:河北省自然科学基金项目(E2010001012) 特约专稿作者简介:冯海英(1973-)女,河北临漳人,讲师,从事矿山压力与岩层控制方面的研究。
文章编号:1673-9469(2011)03-0026-05不同断面形式深埋巷道围岩破坏数值模拟分析冯海英,刘德乾,赵鹏燕(河北工程大学土木工程学院,河北邯郸056038)摘要:以 级围岩为例,利用有限差分软件FLAC 对不同埋深情况下不同断面形式的巷道进行数值模拟,分析矩形、直墙拱形和圆形断面巷道围岩应力应变、围岩塑性区随埋深的变化规律及特点。
结果表明:拱形断面巷道的围岩变形、围岩塑性区最小,尤其是顶板下沉量较矩形和圆形断面巷道的要小得多;圆形断面巷道围岩水平向位移最小;矩形断面巷道围岩应力及变形随埋深增加幅度都要大于拱形和圆形断面巷道。
关键词:深埋巷道;断面形式;数值模拟;围岩应力;围岩变形;塑性区中图分类号:TD31 文献标识码:ASimulation analysis of surrounding rock damage for deep-buriedroadway with different c ross-sectionsFE NG Ha-i ying,LI U De -qian,ZHAO Peng -yan(School of Civil Engineering ,Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038,China)Abstract :The roadways in the rock of Grade of different cross-sections in different buried depths were simulated with the finite difference software FLAC,and the stress-strain behaviors of rock,the rules of the plastic zone changing with the buried depth of the roadways with rectangular,vertical wall-arch andcircular cross-section were analyzed respectively.The results show that both the surrounding rock defor -mation and plastic zone of the roadway with the vertical wall-arch cross-section are the smallest,the roof settlement is also less than that of the roadway with rectangular and circular cross-section;the sur -rounding rock s horizontal displacement of roadway with the circular cross-section is the smallest;as to the contents of the stress-strain increasing with the buried depth,the roadways with rectangular cross-section is better than the roadways with vertical wall-arch and circular cross-section.Key words :deep -buried roadway;cross-section deform;simulation;surrounding rock stress;sur -rounding rock deformation;plastic zone随着我国煤矿矿井开采深度的增加,原岩应力与构造应力不断升高,岩体稳定性差、工程地质条件复杂,巷道围岩变形量显著增大、变形速度快,巷道返修率高,因此,掌握深部巷道围岩破坏机理及影响因素,解决深部巷道支护设计中存在的诸多问题,寻求合理的支护设计理论与方法,无论对工程设计还是工程施工都具有重要的指导意义[1~2]。
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究1. 引言1.1 研究背景井底车场巷道是城市地下空间中常见的交通通道，承担着重要的交通运输功能。
由于井底车场巷道地处地下，受到地下水、地质构造、施工质量等多种因素的影响，巷道破坏问题频发。
破坏问题的出现不仅影响了车辆流通的顺畅，还可能对周围环境和建筑物造成危害，严重影响城市交通安全和经济发展。
目前，针对井底车场巷道破坏问题的研究主要集中在对破坏原因的分析和解决方案的探讨上。
由于地下空间环境复杂多变，破坏原因的分析并不完善，支护加强设计方案的实践应用也存在不足之处。
对井底车场巷道破坏原因和支护加强设计方案的研究具有重要的理论和实践意义。
本研究旨在通过对井底车场巷道破坏原因的深入分析和支护加强设计方案的研究，提出有效的解决方案，为城市地下空间交通通道的设计和施工提供技术支持和参考。
通过结合实践应用研究方法，探讨支护加强设计方案在实际工程中的应用效果，为相关领域的研究和实践提供有益借鉴。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨井底车场巷道破坏的原因，分析支护加强设计方案的实践应用研究，以期找出解决问题的有效方法。
通过研究，可以为未来的巷道建设提供参考依据，提高巷道的安全性和稳定性。
通过对支护加强设计方案的实践应用研究，可以验证设计方法的可行性，并提出优化建议，为今后的工程施工提供指导。
本研究的目的在于为相关领域的学术研究和实践工作提供有益参考，推动井底车场巷道建设行业的发展，为保障人民生命财产安全和社会经济的可持续发展做出贡献。
1.3 研究意义井底车场巷道在城市地下交通系统中扮演着重要的角色，但由于地下水位、地质条件、施工质量等各种因素的影响，井底车场巷道经常出现破坏现象。
这不仅给交通运输带来了安全隐患，也给城市地下空间的合理利用带来了挑战。
深入研究井底车场巷道破坏原因及支护加强设计方案的实践应用，对于提高地下交通系统的安全性和稳定性具有重要意义。
通过对破坏原因进行分析，可以找出问题的根源，有效预防和减少破坏事件的发生。
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究井底车场巷道是矿井生产中不可或缺的重要设施，它为矿井生产提供了便利的通道和安全的停放场所。
在实际生产中，井底车场巷道的破坏现象时有发生，严重影响了矿井的生产安全和效率。
对井底车场巷道的破坏原因进行分析，并制定支护加强设计方案实践应用研究，对于提高矿井生产的安全性和稳定性具有重要意义。
一、井底车场巷道破坏原因分析1.地质条件：地质构造、岩性、断裂带等地质因素对井底车场巷道具有直接影响。
如果地质条件恶劣，岩体稳定性差，那么井底车场巷道就容易发生破坏。
2.工作面影响：井底车场巷道位于矿井的下部，受到了工作面开采的严重影响。
露采区域的掏槽工作会对井底车场巷道的支护结构造成冲击，从而导致车场巷道的破坏。
3.车辆振动：井底车场巷道是车辆行驶的通道，而车辆的振动会对巷道的支护结构产生影响，加速巷道的破坏。
4.设计不合理：部分井底车场巷道在设计时考虑不周，对于地质条件和车辆振动等因素不够重视，导致巷道在使用过程中出现破坏。
以上几点是导致井底车场巷道破坏的主要原因，需要在实践中进行进一步的分析和研究。
二、支护加强设计方案实践应用研究1. 地质勘察：在井底车场巷道规划和设计之前，应进行细致的地质勘察，充分了解地下岩体的情况，为后续的支护设计提供依据。
2. 合理设计：在设计井底车场巷道时，要根据地质情况和车辆行驶情况采取合理的支护结构和措施，确保巷道的安全稳定。
3. 加强支护：对于已经建成的井底车场巷道，要加强对支护结构的维护和管理，及时修补破损的支护结构，保持巷道的稳定性。
4. 定期检测：定期对井底车场巷道进行安全检测，发现问题及时处理，防范可能的破坏。
以上支护加强设计方案的实践应用研究对于井底车场巷道的安全性和稳定性具有重要意义。
三、实践应用研究案例分析以某矿井井底车场巷道为例，通过实际应用上述支护加强设计方案，取得了良好的效果。
在设计阶段对地质条件进行了详细的勘察分析，确定了井底车场巷道的设计方案。
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究井底车场巷道是煤矿地下矿井中的重要设施，它连接着矿内地面和地下各个工作面，是矿井运输系统的关键组成部分。
由于地质条件、开采活动等多种因素，井底车场巷道常常会出现破坏现象，严重影响到矿井的正常运行和矿工的安全。
针对井底车场巷道破坏原因的分析以及支护加强设计方案的实践应用研究，将有助于有效提高井底车场巷道的稳定性和安全性。
一、井底车场巷道破坏原因分析1. 地质条件：地质构造较复杂、地层不规则、岩性差异大等因素会导致井底车场巷道易受到地质力学作用的影响，从而导致巷道的破坏和塌方。
2. 开采活动：在矿井开采过程中，采空区的形成会导致地表下沉和地下水位上升，加剧了巷道的变形和破坏，增加了巷道的稳定性风险。
3. 设计水平不足：在设计井底车场巷道时，有时存在运输车辆负荷超载、旋挖钻机槽道粗糙等问题，导致巷道支护结构无法承受巨大的荷载，使得巷道容易发生破坏现象。
4. 巷道维护不及时：井底车场巷道长期使用后，由于缺乏有效的维护和加固措施，地表下沉、煤层运移等因素会导致巷道结构逐渐变弱，增加了破坏风险。
二、支护加强设计方案实践应用研究1. 车场巷道支护结构优化设计：针对不同地质条件和采煤方式，设计合理的巷道支护结构，提高其承载能力和稳定性。
采用高强度材料、加固结构等方式，提高巷道的抗压强度和抗变形能力。
2. 加强巷道固化处理：通过注浆加固、压裂加固等方法，强化巷道固体岩体，提高巷道的稳定性和抗底层变形能力。
采用钢筋混凝土砌筑、喷锚支护等方式，增加巷道的承载能力和抗变形能力。
3. 设置监测系统：在巷道内部和周围，设置合适的地质监测系统，对巷道周围地质变化和巷道结构变形进行实时监测，及时发现问题并进行处理，确保巷道的安全稳定。
4. 强化巷道维护管理：定期对巷道进行维护和检修，加固巷道结构，清理巷道周围杂物，及时修复破损部位，延长巷道的使用寿命。
三、实践应用案例在某煤矿的井底车场巷道破坏较为严重，经过支护加强设计方案的实践应用研究，取得了良好的效果。
准脆性材料宏观特性[权威资料]
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准脆性材料宏观特性本文档格式为WORD,感谢你的阅读。
摘要：准脆性材料在宏观力学介质模型中所遇到的问题实质上是尺度问题，或者说，准脆性材料应变局部化和断裂过程本质上是微观或细观尺度上的力学行为。
关键词：准脆性材料土木工程岩土工程渗透性准脆性材料广泛存在于土木工程领域，如混凝土、砌体、某些金属材料等人工材料及岩石、硬黏土等天然材料，大量古典和现代土木工程结构均由这些材料构成。
准脆性材料一般具有如下力学性质：不均匀性、各向异性、结构的离散性及非线性等。
变形局部化及断裂是准脆性材料的一种基本现象，损伤是其在外载荷作用下强度衰减的主要原因。
与脆性材料不同，准脆性材料破坏过程伴随有一些变形和能量的释放。
在外载荷的作用下，准脆性材料内部弱介质的破坏和微缺陷的形成、扩展及相互作用将决定其宏观变形破裂特性。
这些性质将会对土木工程生产及结构的安全及稳定性产生决定性的影响。
如在水利、采矿、交通等岩土工程活动中，开采工作面的岩石破裂、水压致裂、岩石爆破、矿石的粉碎等工程活动及经常会遇到“岩爆”、“煤爆”等冲击地压现象，这些都要求深入地了解岩石这类准脆性材料从连续到不连续破裂的演变过程。
又如岩体中存在大量的节理和裂隙，在外载荷的作用下裂纹会发生扩展，扩展后的裂纹会导致岩体的力学性质发生极大变化，甚至会引起岩体的破坏，导致地下工程结构失稳。
另外，岩体裂隙的扩展导致岩体的渗透性发生变化，这可能导致如石油的生产、地下水的开采、透水事故等工程生产、安全问题。
准脆性材料应变局部化和断裂过程，即连续介质模型和离散模型。
第一类模型处理不连续位移的手段之一是将其近似视为连续的或光滑连续的，前者位移可导，但应变不连续，这类模型即为弱不连续模型，后者是前者的一种改进，位移、应变均连续可导，这类模型称为正则化模型；另一种处理方法是，将不连续面或潜在不连续面视为接触面或边界，计算裂隙扩展时需要重新划分网格。
连续模型主要基于接触力学、断裂力学、损伤力学、软化塑性力学等理论和方法，典型的连续模型包括：非线性弹性模型、率无关塑性模型、损伤理论模型、内蕴时间塑性理论模型、耦合损伤塑性理论模型、微平面理论模型。
基于连续非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟
第39卷 第2期爆炸与冲击V o l .39,N o .22019年2月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E SF e b .,2019D O I :10.11883/b z y c j -2017-0393基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟*冯 春1,李世海1,郑炳旭2,崔晓荣2,贾建军3(1.中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室,北京100190;2.广东宏大爆破股份有限公司,广东广州510623;3.鞍钢矿业爆破有限公司,辽宁鞍山114046) 摘要:爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段㊂利用连续-非连续单元方法(c o n t i n u u m -d i s c o n t i n u u me l e m e n tm e t h o d ,C D E M )对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟,通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算,通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述,通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞㊁飞散及堆积过程的高效模拟㊂开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟,计算给出的块度分布曲线㊁爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致,证明了C D E M 及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性㊂以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象,建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型,模拟了从炸药起爆㊁岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程;计算结果表明,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆堆形态㊁顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致,证明了利用C D E M 开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性㊂关键词:三维台阶爆破;连续-非连续单元方法;损伤断裂;接触检测;露天矿;爆破开采 中图分类号:O 389 国标学科代码:13035 文献标志码:A爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,穿孔爆破的成本较低,仅占整个采选总成本的1/15左右;但是,爆破效果的好坏将直接影响到铲装㊁运输㊁破碎等工序的生产效率及能耗㊂因此,爆破阶段通过改变爆破参数,增大矿岩的损伤破碎程度,减少大块㊁根底㊁岩墙等不利因素,将有助于提升后续工序的生产效率㊂数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段㊂目前,真正可用于爆破破岩全过程模拟的软件主要包括M B M (m e c h a n i s t i cb l a s t i n g mo d e l )软件[1-3]㊁D M C (d i s t i n c t m o t i o n c o d e )软件[4-8]以及B l o _U p (b l a s t l a y o u t o p t i m i z a t i o nu s i n g PF C 3D )软件[9-11]㊂M B M 及D M C 均来自澳大利亚奥瑞凯(O r i c a )公司,其中M B M 是有限元与块体离散元相结合的2D 爆破效果数值模拟软件,D M C 是基于颗粒离散元的2D /3D 爆破效果数值模拟软件㊂B l o _U p 是H S B M (h yb r i ds t r e s sb l a s t m o d e l )项目研究成果的集中体现,由I T A S C A 公司负责产品研发,并由昆士兰大学负责软件模拟结果的验证㊂B l o _U p 采用非理想爆轰模型描述炸药的爆轰过程,采用裂隙流动模型描述爆生气体的楔入破岩过程,采用格子模型描述破碎岩块的碰撞㊁飞散及堆积过程㊂由于M B M ㊁D M C 及B l o _U p 等露天矿爆破全过程数值模拟软件并未公开发售,因此,对于爆破破岩问题的数值模拟,还是主要借助一些商业软件或一些科研人员自己编制的科研代码,如A N S Y S /L S -D Y N A ㊁A U T O D Y N ㊁U DE C /3D E C ㊁F E M -D E M ㊁D D A ㊁C D E M 等㊂丁希平[12]采用L S -D Y N A 软件模拟1-102420*收稿日期:2017-10-30;修回日期:2018-02-23基金项目:国家重点研发计划项目(2016Y F C 0801600);广东宏大爆破股份有限公司 基于数字模拟的露天爆破设计软件 研发项目;鞍钢矿业集团 基于采选总成本的爆破技术优化研究 项目(2016-科A 07-2) 第一作者:冯 春(1982-),男,硕士,高级工程师,f e n gc h u n @i m e c h .a c .c n ㊂了炸药单耗及填塞长度对爆破效果的影响;璩世杰等[13]利用L S -D Y N A 详细探讨了节理角度对预裂爆破成缝效果的影响规律;H u 等[14]在L S -D Y N A 中实现了S P H (s m o o t h e d p a r t i c l eh y d r o d yn a m i c s )与F E M (f i n i t e e l e m e n tm e t h o d)的耦合计算,开展了预裂爆破及台阶爆破中岩体损伤破裂过程的模拟㊂谢冰等[15]采用A U T O D Y N2D 与U D E C (u n i v e r s a l d i s t i n c t e l e m e n t c o d e )相结合的方法,探讨了节理组与炮孔连线的夹角对预裂爆破效果的影响;周旺潇等[16]探讨了利用3D E C (t h r e e -d i m e n s i o n a l d i s -c r e t e e l e m e n t c ode )模拟爆破破岩过程的可行性,提出了考虑爆破块度的3D E C 块体人工离散方法㊂Y a n 等[17]利用3D E C 软件,通过在炮孔破碎圈外侧施加等效的爆破载荷,并通过控制不同区域的网格尺寸,研究了三维条件下爆堆的形成过程㊂T r i v i n o 等[18]通过F E M (f i n i t e e l e m e n tm e t h o d )-D E M (d i s -c r e t e e l e m e n tm e t h o d)方法及跨孔声波测试法研究了爆炸应力波及爆生气体联合作用下岩体中的裂纹扩展过程㊂甯尤军等[19]通过在D D A (d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l ys i s )中引入爆生气体膨胀模型,实现了岩石爆破过程中炮孔扩张㊁岩体破坏㊁块体抛掷和爆堆形成过程的模拟㊂郑炳旭等[20]利用C D E M (c o n t i n u u m -b a s e dd i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d )软件探讨了炸药单耗对爆破块度分布曲线及系统破裂度的影响规律㊂总体而言,学者们对二维情况下岩石的爆破破碎㊁飞散及堆积过程已进行了深入研究,但三维情况下的研究依然较少㊂为此,本文中以C D E M 方法为基础,通过引入爆破破岩相关的算法及模型,开展工程尺度下露天矿三维爆破全过程的数值模拟㊂1 数值方法及力学模型1.1 连续-非连续单元方法概述 连续-非连续单元方法(c o n t i n u u md i s c o n t i n u u me l e m e n tm e t h o d ,C D E M )[21-22]是一种有限元与离散元相互耦合的显式动力学数值分析方法㊂C D E M 的理论基础是拉格朗日方程,为:d d t ∂L ∂v æèçöø÷i +∂L ∂u i=Q i(1)式中:u i ㊁v i 为广义坐标,L 为拉格朗日系统的能量,Q i 为非保守力所做的功㊂为了表征多裂纹的萌生㊁扩展及交汇贯通过程,在C D E M 中引入了虚拟裂缝的概念㊂虚拟裂缝位于每个有限元单元的边界上,在断裂发生之前,通过引入法向罚弹簧及切向罚弹簧可连接两侧的实体单元,并进行力学信息的传递;通过在罚弹簧上设置断裂准则及对应的强度参数,可在虚拟界面上实现拉伸断裂过程及剪切断裂过程;断裂发生后,虚拟界面即转化为真实的接触界面,通过赋予相应的接触模型及接触参数,即可对接触面的力学行为进行准确刻画㊂ C D E M 中的核心控制方程为:M u ㊃㊃+C u ㊃+K u +K c u c +C c u ㊃c =F (2)式中:u ㊃㊃㊁u ㊃㊁u ㊁u c 和u c 分别为单元内所有节点的加速度列阵㊁速度列阵㊁位移列阵以及虚拟裂缝上的相对位移列阵㊁相对速度列阵;M ㊁C ㊁K ㊁K c ㊁C c 和F 分别为单元质量矩阵㊁单元阻尼矩阵㊁单元刚度矩阵㊁接触面刚度矩阵㊁接触面阻尼矩阵和节点外部荷载列阵㊂C D E M 采用基于增量方式的显式欧拉前差法进行问题的求解,整个计算过程中通过不平衡率表征系统受力的平衡程度㊂求解控制方程(2),共分为3个步骤:第1步循环每个有限元单元,计算单元的变形力及阻尼力;第2步循环每个接触面,计算接触面上的连接力及阻尼力;第3步循环所有节点,计算每个节点的合外力㊁加速度㊁速度及位移㊂1.2 爆源模型本文的爆源模型主要采用朗道爆炸模型,该模型的输入参数包括装药密度,炸药爆速㊁爆热及点火点位置㊂该模型主要基于朗道-斯坦纽科维奇公式(γ率方程),为:p V γ=p 0V γ0p ȡp k p V γ1=p k V γ1kp <p {k (3)2-102420爆 炸 与 冲 击 第39卷第2期式中:γ=3,γ1=4/3,p ㊁V 分别为高压气球的瞬态压力和体积,p 0㊁V 0分别为高压气球初始时刻的压力和药包的体积,p k ㊁V k 分别为高压气球在两段绝热过程边界上的压力和体积㊂p k 的表达式为:p k =p 0γ1-1γ-γ1γ-()1Q w ρw p 0-éëêêùûúú{}1γγ-1(4)式中:Q w 为单位质量炸药爆热(J /k g ),ρw 为装药密度(k g /m 3)㊂p 0的表达式为:p 0=ρw D 22(γ+1)(5)式中:D 为爆轰速度(m /s)㊂本文采用到时起爆的方式模拟点火过程及爆轰波在炸药内的传播过程㊂设某一炸药单元的重心到点火点的距离为d ,炸药的爆速为D ,则点火时间t 1=d /D ㊂当爆炸时间t >t 1时,根据式(3)对该单元进行爆炸压力的计算㊂钻孔爆破过程中,随着炮孔的起爆,爆生气体逐渐膨胀,并推动岩体做功㊂岩体在爆炸压力的作用下逐渐出现裂缝的萌生㊁扩展,并最终出现贯通自由面的裂缝㊂一旦出现贯通性的裂缝,炮孔内的气体将会从裂缝中快速溢出,并导致炮孔内的压力急剧下降㊂由于直接模拟爆生气体在岩体内的流动及溢出过程较为复杂,本文中采用设置炸药作用时间的方式进行等效模拟㊂当某炸药单元起爆后经历的时间大于炸药作用时间时,该炸药单元随即失效,失效后炸药单元中的气体压力为零,且不再进行爆炸压力的计算㊂1.3 岩体本构本文中采用的岩体本构为弹性-损伤-断裂本构,其中在每个有限元单元上施加线弹性本构,输入的参数包括密度及弹性参数(弹性模量㊁泊松比);在虚拟界面上施加损伤-断裂本构,输入的参数包括法向连接刚度㊁切向连接刚度㊁黏聚力㊁内摩擦角㊁抗拉强度㊁剪切断裂能及拉伸断裂能㊂利用增量法表述的单元线弹性本构为:Δσi j =2G Δεi j +K -23æèçöø÷G Δθδi jσi j (t 1)=Δσi j +σi j (t 0ìîíïïï)(6)式中:σi j 为应力张量,Δσi j 为增量应力张量,Δεi j 为增量应变张量,Δθ为体应变增量,K 为体积模量,G 为剪切模量,δi j 为Kr o n e c k e r 记号,t 1为下一时步,t 0为当前时步㊂虚拟界面上采用考虑断裂能的拉剪复合本构进行损伤断裂的计算㊂首先采用增量法计算虚拟界面处下一时步的法向及切向试探接触力,为:F n (t 1)=F n (t 0)-k nA c Δd u n F s (t 1)=F n (t 0)-k sA c Δd u {s (7)式中:F n ㊁F s 为罚弹簧上法向及切向的连接力,k n ㊁k s 为单位面积上法向㊁切向连接刚度(P a /m ),A c 为虚拟界面的面积,Δd u n ㊁Δd u s 为法向㊁切向相对位移增量㊂采用式(8)进行拉伸断裂的判断㊁法向连接力及拉伸强度的修正,如果:-F n (t 1)ȡσt (t 0)A c那么:F n (t 1)=-σt (t 0)A c , σt (t 1)=-σ2t 0Δu n /(2G f t )+σt 0(8)式中:σt 0㊁σt (t 0)及σt (t 1)为初始时刻㊁本时刻及下一时刻虚拟界面上的拉伸强度,Δu n 为当前时刻虚拟界面上的法向相对位移,G f t 为拉伸断裂能(P a ㊃m )㊂采用式(9)进行剪切断裂的判断㊁切向连接力及黏聚力的修正,如果:F s (t 1)ȡF n (t 1)t a n ϕ+c(t 0)A c 那么:F s (t 1)=F n (t 1)t a n ϕ+c (t 0)A c , c (t 1)=-c 20Δu s /2G ()f s +c 0(9)3-102420 第39卷 冯 春,等:基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟 第2期式中:ϕ为虚拟界面的内摩擦角,c 0㊁c (t 0)及c (t 1)为初始时刻㊁本时刻及下一时刻虚拟界面上的黏聚力,Δu s 为当前时刻虚拟界面上的切向相对位移,G f s 为剪切断裂能(P a ㊃m )㊂基于式(8)及式(9),可绘制出虚拟界面上法向及切向的本构曲线,具体如图1所示㊂图1虚拟界面上的本构曲线F i g.1C o n s t i t u t i v e c u r v e s a t v i r t u a l i n t e r f a c e 1.4 接触碰撞算法爆破后,破碎岩块将以一定的初速度向临空面抛掷,进而出现飞散㊁碰撞㊁堆积等爆破现象㊂本文中采用半弹簧-半棱联合接触碰撞模型[23-24]对大量破碎岩块的接触碰撞过程进行快速㊁精确地模拟㊂半弹簧由单元顶点缩进至各棱(二维)或各面(三维)内形成;半棱仅存在于三维情况,由各面面内相邻的两根半弹簧连接而成(见图2)㊂建立半弹簧时,缩进距离一般取顶点到各棱或各面中心距离的1%~5%(本文中取5%)㊂由于只有在半弹簧找到目标面㊁半棱找到目标棱以后,方能形成完整的接触对并计算接触力,因此称之为 半 弹簧及 半 棱(见图3)㊂图2半弹簧-半棱示意图F i g .2S e m i -s p r i n g a n d s e m i -e d g e s c h e m a t i c s 图3两类接触对F i g .3T w o t y pe s of c o n t a c t p a i r s 由于采用了缩进策略,使得半弹簧及半棱均位于面内(二维时位于棱内),因此半弹簧及半棱均具有各自的特征面积(二维时取单位厚度),为:A s =A f /N v , A e =A s ,i +A s ,j(10)4-102420爆 炸 与 冲 击 第39卷第2期第39卷冯春,等:基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟第2期式中:A s及A e分别为半弹簧及半棱的特征面积,A f为半弹簧及半棱所在母面的面积,N v为所在母面的顶点个数,A s,i及A s,j分别为组成半棱的2根半弹簧的面积㊂半弹簧-半棱联合接触碰撞模型将二维情况下点-点㊁点-线㊁线-线3类接触关系统一为半弹簧-目标棱这一类关系,将三维情况下的点-点㊁点-线㊁点-面㊁线-线㊁线-面㊁面-面6类接触关系统一为半弹簧-目标面及半棱-目标棱这2类关系,从而简化了计算,提升了接触检索效率㊂一旦接触对创建完毕,即可在接触对上引入传统的接触本构,执行接触力的计算㊂本文中,当2个块体处于压缩接触状态时执行线弹性计算,当2个块体处于剪切状态时执行库伦摩擦计算;一旦2个块体处于拉伸状态,达到其强度极限时立即断开接触弹簧㊂2单自由面爆破实验的数值验证以大理岩爆破模型实验[25]作为数值模拟对象㊂该实验中大理岩块被加工成尺寸为25c mˑ25c m ˑ25c m的立方体,并在试样一侧钻出直径为0.6c m㊁深度为10c m㊁间距为5c m的2个平行钻孔,2个钻孔到岩样顶部自由面的距离均为5c m(见图4)㊂采用D D N P炸药进行爆破实验,每孔装药0.3g㊂由于试件的尺寸较小,为了减少和消除试件四周自由面对爆破效果的影响,在岩样四周和底部涂上一层黄油,然后用5块1c m厚的铁板夹制(布孔一侧不用铁板夹制),并用螺栓固定㊂图4试样及炮孔尺寸F i g.4T h e s i z e o f s p e c i m e na n db o r eh o l e数值计算中采用的岩石密度㊁弹性模量㊁泊松比㊁抗拉强度与文献[25]中的一致,分别为2730k g/m3㊁61.4G P a㊁0.27㊁4.72M P a;岩石黏聚力由文献[25]中给出的单轴抗压强度(90M P a)及内摩擦角经验值(40ʎ)通过M o h r-C o u l o m b公式计算获得,为21M P a;岩石的内摩擦角,拉伸断裂能,剪切断裂能,单位面积法㊁切向刚度,断裂后滑动摩擦因数等参数文献[25]中未提供,本文中根据相关资料选取了经验值,分别为40ʎ㊁50P a㊃m㊁100P a㊃m㊁2ˑ1014P a㊃m㊁0.25㊂数值计算中采用的炸药密度㊁爆速与文献[25]中的一致,分别为1000k g/m3㊁4950m/s;炸药的爆热㊁炸药作用时间等参数文献[25]中未提供,本文中根据相关资料选取了经验值,分别为1.4M J/k g㊁5m s㊂文献[25]中根据耦合及填塞的不同,共开展了3组实验,分别为耦合无填塞㊁耦合填塞及不耦合填塞(不耦合因数为1.6),本文中重点对比耦合填塞的实验结果㊂建立棱长为25c m的立方体数值模型,在模型的相应位置设置炮孔,采用15.5万个四面体单元进行剖分㊂为了模拟实验过程中的铁板夹制作用,将模型底部及四周侧面设置为全约束,模型顶部表面自由㊂双孔同时爆破后,不同时刻岩体的破碎情况如图5所示㊂由图5可得,自由表面处的岩体在爆炸应力波及爆生气体的联合作用下,破裂为若干大块;在内部气体的推动作用下,大块逐渐向外拱出,并发生解体破碎,而爆源附近的大量碎块随之涌出㊂爆破7.50m s后,对脱离母体的碎块进行删除,可获得爆破漏斗的空间形态,如图6所示㊂对爆破漏斗的形态进行测量,可得A-Aᶄ剖面中,爆破漏斗的深度为5.8c m,爆破漏斗直径为23c m;B-Bᶄ剖面中,爆破漏斗的深度为6.9c m,爆破漏斗的直径为16c m㊂5-102420图5不同时刻岩体的破碎运动情况F i g.5F r a c t u r e a n dm o v e m e n t o f r o c ka t d i f f e r e n t t i m e s 图6爆破漏斗的形态F i g .5S h a pe of c r a t e r 图7块度分布曲线F i g .7B l o c kd i s t r i b u t i n g cu r v e s 对爆破后各碎块的体积及特征尺寸进行统计,绘制出块度分布曲线对比图(见图7)㊂其中,文献[25]中的特征尺寸为筛孔直径,数值计算中各碎块的特征尺寸L c 的计算公式为:L c =3V b +L ()m a x /2(11)式中:V b 为某碎块的体积,L m a x 为该碎块中各顶点间的最大距离㊂由图7可得,在对数坐标系下,2条曲线的变化规律基本一致,数值计算给出的块度分布曲线基本呈反 S 型,而实验给出的曲线呈抛物线型㊂当通过率为40%~50%时,2条曲线对应的特征尺寸基本一致,为33~56mm ;但数值计算获得的特征尺寸在20mm 以下及70mm 以上的碎块比例明显高于实验值㊂6-102420爆 炸 与 冲 击 第39卷第2期数值计算及模型实验获得的碎块总体积㊁K50㊁K80等指标的对比如表1所示㊂其中,K50㊁K80分别为通过率为50%及80%时对应的碎块特征尺寸㊂由表1可得,数值计算获得的碎块总体积(爆破漏斗体积)及K50与实验值基本一致,误差为16%以下;K80的数值解与实验值差别较大,误差约为52%㊂表1关键指标对比T a b l e1C o m p a r i s o no f k e y i n d e x e s方法爆破漏斗体积/c m3K50/mm K80/mm 实验值426.648.664.0数值解478.756.297.2误差/%12.215.651.93露天铁矿台阶爆破模拟以鞍千露天铁矿的台阶边坡几何尺寸㊁岩体性质及孔网参数为基础,建立如图8所示的3排7列(共21个炮孔)三自由面台阶爆破模型㊂台阶高度为12m,台阶坡角为90ʎ(直立边坡),炮孔的间排距及抵抗线均为6.5m,炮孔直径为25c m,深度为15m,堵塞长度为6.5m㊂采用逐孔起爆方式,孔底起爆,孔间延时为42m s,排间延时为65m s ㊂图8含21炮孔的三自由面台阶爆破模型F i g.8T h eb e n c hb l a s t i n g m o d e lw i t h t h r e e f r e e s u r f a c e s a n d t w e n t y-o n eb o r eh o l e s对铁矿石块体采用线弹性模型进行描述,其密度为3200k g/m3,弹性模量为60G P a,泊松比为0.25㊂综合考虑了块体间界面爆区内既有裂隙的强度,采用考虑强度软化效应的损伤断裂模型进行描述,单位面积上的法向及切向刚度为200G P a/m,黏聚力为12M P a,内摩擦角为30ʎ,抗拉强度为4M P a,剪切断裂能为150P a㊃m,拉伸断裂能为50P a㊃m,断裂后滑动摩擦因数为0.58㊂爆破所用的炸药为现场混装的乳化炸药,对其采用朗道爆炸模型进行描述,装药密度为1150k g/m3,爆速为5600m/s,爆热为3.4M J/k g,炸药作用时间为35m s㊂数值计算共分为2个阶段:第1阶段为静力平衡阶段,采用虚拟质量法获得模型在重力作用下的静态应力场,在该阶段,模型的底部及四周为法向约束边界,重力方向竖直向下,局部阻尼系数取0.8;第2阶段为爆破破岩阶段,在模型底部及四周施加无反射边界,计算时步取10μs,局部阻尼因数取0.03,按照预设的起爆顺序及延时进行点火起爆,获得铁矿石的破碎㊁抛掷过程及最终的堆积过程㊂采用四面体网格对上述模型进行剖分,共剖分网格51.1万㊂受计算量限制,底部平台未进行延伸,宽度仅为8.0~8.5m,因此爆破后碎块的运动范围将超出底部平台;为了对超出底部平台的块体提供支撑,特设置与底部平台相同高度的刚性面㊂爆堆的演化过程如图9所示㊂由图9可得,2个侧壁临空面相交的区域首先发生了臌胀及抛掷,抛掷方向与等时线方向基本一致㊂随后,在2个侧壁临空面上分别出现了 爆花 ,台阶边坡的中部明显鼓出㊂当时间大于4.370s后,爆堆基本形成㊂沿着第2列㊁第4列及第6列炮孔的中心对爆堆进行剖切,观察不同位置处爆堆的表面及内部形态,如图10所示㊂整个爆堆基本呈上陡下缓的斜坡状,底部坡角为15ʎ~30ʎ,顶部坡角为40ʎ~50ʎ;原7-102420第39卷冯春,等:基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟第2期爆区顶部出现了较大范围的隆起,最大高度可达2.6m ㊂第1排炮孔前侧的破碎块体堆积得较松散,后侧区域的破碎块体堆积得较致密;爆区内的岩体在爆炸载荷作用下破碎明显,被纵横交错的裂缝切割为大量碎块;爆区外侧的岩体破碎较轻微,仅在局部区域出现了沿着径向的拉伸裂缝㊂图9不同时刻的总位移云图F i g .9D i s p l a c e m e n tm a gn i t u d e c o n t o u r s a t d i f f e r e n t t i m e s 图10爆堆剖视图F i g .10S e c t i o nv i e w s o fm u c k pi l e 图11破裂度时程曲线F i g .11H i s t o r y o f f r a c t u r e d e gr e e 定义破裂度为数值计算中发生破裂的虚拟界面面积与总虚拟界面面积的比,则破裂度随时间的变化如图11所示㊂由图11可得,随着爆炸时间的增长,破裂度迅速增大;当爆炸时间大于0.39s 后(最后一个炮孔的起爆时间为0.382s),破裂度的增大趋势迅速变缓;爆破完成后,模型的最终破裂度约为85.4%㊂采用U n i S t r o n g 手持式GP S (亚米级精度),在鞍千矿开展大量的爆堆形态测试㊂图12给出了南采区典型台阶爆破后的爆堆形态㊂由图12可得,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆后斜坡形态㊁顶部鼓起等现象与现场的测试结果基本一致,证明利用C D E M 开展三维露天台阶爆破全过程模拟可行㊂8-102420爆 炸 与 冲 击 第39卷第2期图12南采区的典型爆堆F i g .12T y p i c a lm u c k p i l e s i n s o u t h r e gi o n 4 结 论(1)在连续-非连续单元方法(c o n t i n u u m -d i s c o n t i n u u me l e m e n tm e t h o d ,C D E M )中引入了朗道爆炸模型㊁岩体弹性-损伤-破裂模型及半弹簧-半棱接触碰撞模型,实现了爆炸作用力的精确计算,岩体损伤破裂过程的准确描述以及爆破碎块群飞散㊁碰撞㊁堆积过程的快速分析㊂(2)开展了单自由面爆破实验的数值对比分析,给出了双炮孔同时爆破作用下,自由表面处岩体的破裂飞散过程,数值计算给出的爆破漏斗体积及块度分布曲线与文献中的实验结果基本一致㊂(3)以鞍千矿南采区典型的铁矿台阶爆破开采为背景,模拟了3排21个炮孔逐孔起爆后,爆区内岩体的损伤破裂过程㊁破碎块体的飞散过程及爆堆的形成过程,数值计算给出的爆堆形态与现场的测试结果具有一定的相似性㊂参考文献:[1] B A T T I S O N R ,E S E NS ,D U G G A NR ,e t a l .R e d u c i n g c r e s t l o s s a t B a r r i c kC o w a l G o l dM i n e [C ]ʊP r o c e e d i n gs o f 11t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo nR o c kF r a g m e n t a t i o n .C a r l t o nV i c t o r i a :T h eA u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o fM i n i n g a n d M e t a l l u r g y,2015.[2] G O S WAM IT ,MA R T I NE ,R O T H E R Y M ,e t a l .Ah o l i s t i c a p p r o a c h t om a n a g i n g b l a s t o u t c o m e s [C ]ʊP r o c e e d -i n g s o f 11t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo nR o c kF r a g m e n t a t i o n .C a r l t o nV i c t o r i a :T h eA u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o fM i n -i n g a n d M e t a l l u r g y ,2015.[3] M I N C H I N T O N A ,L Y N C HP M.F r a g m e n t a t i o n a n d h e a v em o d e l l i n g u s i n g c o u p l e d d i s c r e t e e l e m e n t g a s f l o wc o d e [J ].F r a gb l a s t ,1997,1(1):41-57.D O I :10.1080/13855149709408389.[4] P R E E C E DS ,T AWA D R O U S A ,S I L L I N GS A ,e t a l .M o d e l l i n g f u l l -sc a l eb l a s th e a v ew i t ht h r e e -d i me n s i o n a l d i s t i n c t e l e m e n t s a n d p a r a l l e l p r o c e s s i n g [C ]ʊP r o c e e d i n g sof 11t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m o nR o c kF r ag m e n t a -t i o n .C a r l t o nV i c t o r i a :T h eA u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o fM i n i n g a n d M e t a l l u r g y,2015.[5] E S E NS ,N A G A R A J A N M.M u c k p i l e s h a p i n g f o r d r a g l i n e s a n dd o z e r s a t s u r f a c e c o a l m i n e s [C ]ʊP r o c e e d i n gso f 11t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo nR o c kF r a g m e n t a t i o n .C a r l t o nV i c t o r i a :T h eA u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o fM i n i n g a n d M e t a l l u r g y,2015.[6] P R E E C EDS .R o c km o t i o n s i m u l a t i o n a n d p r e d i c t i o n o f p o r o s i t y d i s t r i b u t i o n f o r a t w o -v o i d -l e v e l r e t o r t [R ].A l b u -q u e r q u e ,NM (U S A ):S a n d i aN a t i o n a l L a b s .,1990.[7] P R E E C EDS ,K N U D S E NSD.C o u p l e dr o c k m o t i o na n d g a s f l o w m o d e l i n g i nb l a s t i n g [R ].A l b u q u e r qu e ,NM (U S A ):S a n d i aN a t i o n a l L a b s .,1991.[8] T A Y L O RL M ,P R E E C EDS .S i m u l a t i o n o f b l a s t i n g i n d u c e d r o c km o t i o nu s i n g s p h e r i c a l e l e m e n tm o d e l s [J ].E n -g i n e e r i n g C o m p u t a t i o n s ,1992,9(2):243-252.D O I :10.1108/e b 023863.[9] O N E D E R R AI ,R U E S T M ,C H I T OM B O G P .B u r d e n m o v e m e n te x p e r i m e n t su s i n g t h eh y b r i ds t r e s sb l a s t i n g9-102420 第39卷 冯 春,等:基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟 第2期m o d e l (H S B M )[C ]ʊP r o c e e d i n g so fE X P L O 2007B l a s t i n g :T e c h n i q u e sa n d T e c h n o l o g y .W o l l o n g o n g,N S W ,A u s t r a l i a :T h eA u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o fM i n i n g a n d M e t a l l u r g y,2007,7(7):177-183.[10] S E L L E R SE ,F U R T N E YJ ,O N E D E R R AI ,e t a l .I m p r o v e du n d e r s t a n d i n g o f e x p l o s i v e -r o c k i n t e r a c t i o n su s i n g t h e h y b r i d s t r e s s b l a s t i n g m o d e l [J ].J o u r n a l o f t h e S o u t h e r nA 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i c a l s i m u l a t i o n o f r o c kb l a s t i n g i n j o i n t e d r o c km a s s b y D D A m e t h o d [J ].R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,2010,31(7):2259-2263.D O I :10.3969/j.i s s n .1000-7598.2010.07.040.[20] 郑炳旭,冯春,宋锦泉,等.炸药单耗对赤铁矿爆破块度的影响规律数值模拟研究[J ].爆破,2015,32(3):62-69.D O I :10.3963/j.i s s n .1001-487X.2015.03.011.Z H E N GB i n g x u ,F E N GC h u n ,S O N GJ i n q u a n ,e t a l .N u m e r i c a l s t u d y o n r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s p e c i f i c c h a r g e a n d f r a g m e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no f h e m a t i t e [J ].B l a s t i n g ,2015,32(3):62-69.D O I :10.3963/j .i s s n .1001-487X.2015.03.011.[21] L I SH ,WA N GJG ,L I UBS ,e t a l .A n a l y s i s o f c r i t i c a l e x c a v a t i o nd e p t h f o r a j o i n t e d r o c k s l o p e u s i n g a f a c e -t o -f a c e d i s c r e t e e l e m e n tm e t h o d [J ].R o c k M e c h a n i c sa n dR o c kE n g i n e e r i n g ,2007,40(4):331-348.D O I :10.1007/s 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S h i h a i,L I U X i a o y u.S e m i-s p r i n g c o n t a c tm o d e l a n d i t s a p p l i c a t i o n t o f a i l u r e s i m u l a t i o no f s l o p e[J].C h i n e s eJ o u r n a lo fT h e o r e t i c a la n d A p p l i e d M e c h a n i c s,2011,43(1):184-192.D O I:10.6052/0459-1879-2011-1-l x x b2010-080.[25]段宗银,施发伍,张良贵.爆破块度分布与控制的模拟试验研究[J].爆破,2010,27(2):45-48;83.D O I:10.3963/j.i s s n.1001-487X.2010.02.012.D U A NZ o n g y i n,S H I F a w u,Z HA N GL i a n g g u i.S i m u l a t i o n t e s t o n d i s t r i b u t i o n a n d c o n t r o l o f b l a s t i n g f r a g m e n t a-t i o n[J].B l a s t i n g,2010,27(2):45-48;83.D O I:10.3963/j.i s s n.1001-487X.2010.02.012.N u m e r i c a l s i m u l a t i o no n c o m p l e t e p r o c e s s o f t h r e e-d i m e n s i o n a l b e n c hb l a s t i n g i na no p e n-p i tm i n e b a s e do nC D E MF E N GC h u n1,L I S h i h a i1,Z H E N GB i n g x u2,C U IX i a o r o n g2,J I AJ i a n j u n3(1.K e y L a b o r a t o r y f o rM e c h a n i c s i nF l u i dS o l i dC o u p l i n g S y s t e m s,I n s t i t u t e o f M e c h a n i c s,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,B e i j i n g100190,C h i n a;2.G u a n g d o n g H o n g d aB l a s t i n g C o.L t d.,G u a n g z h o u510623,G u a n g d o n g,C h i n a;3.A N S T E E LB l a s t i n g C o.L t d.,A n s h a n114046,L i a o n i n g,C h i n a)A b s t r a c t:B l a s t i n g m i n i n g i s t h em o s t i m p o r t a n t p a r t o f t h e t o t a l c o s t c o n t r o l i n a n o p e n p i tm i n e,a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s a ne f f e c t i v em e t h o d t oo p t i m i z e t h ed e s i g no fb l a s t i n g m i n i n g a n dt oa n a l y s e b l a s t i n g e f f e c t.B y u s i n g t h ec o n t i n u u m-d i s c o n t i n u u m e l e m e n t m e t h o d(CDE M),t h et h r e e-d i m e n-s i o n a l b e n c hb l a s t i n g p r o c e s s o f t h e o p e n p i tm i n e i s s i m u l a t e d.T h eL a n d a u e x p l o s i v em o d e l i s a d o p t-e d t o p r e c i s e l y c a l c u l a t e t h e b l a s t i n g e f f e c t,a n d t h e e l a s t i c-d a m a g e-f r a c t u r e c o n s t i t u t i v e l a w i s u s e d t od e s c r i b e t h e d a m a g e a n d f r a c t u r e p r o c e s so f r o c k.B y a d o p t i n g t h e s e m i-s p r i n g t a r g e t f a c ea n ds e m i-e d g e t a r g e t e d g e c o m b i n e dc o n t a c t a l g o r i t h m,t h e c o l l i s i o n,f l y i ng a n da c c u m u l a t i o n p r o c e s so f l a r g e n u m b e r o f f r a g m e n t s i ss i m u l a t e de f f i c i e n t l y.Th en u m e ri c a l s i m u l a t i o no f t h es m a l l s c a l eb l a s t i n g p r o c e s sw i t h t h e s i n g l e f r e e s u r f a c e i s c a r r i e d o u t.T h e b l o c kd i s t r i b u t i n g c u r v e a n d v o l u m e o f t h e c r a-t e r o b t a i n e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e m o r eo r l e s st h es a m ea st h o s eo b t a i n e db y e x p e r i m e n t, w h i c hd e m o n s t r a t e s t h a tC D E Ma n d c o r r e s p o n d i n g m o d e l s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r a r e g o o d a t s i m u l a-t i n g t h e r o c kb l a s t i n g p r o c e s s.B a s e d o n t h e b l a s t i n g t e c h n o l o g y i n t h e s o u t h r e g i o n i nA n q i a n o p e n-p i t m i n e,a g e n e r a l i z e d t h r e e-d i m e n s i o n a l b e n c hb l a s t i n g m o d e lw i t h3r o w s a n d21b o r eh o l e s i s s e t u p, a n d t h e c o m p l e t e p r o c e s s f r o me x p l o s i v ed e t o n a t i o nt o m u c k p i l e f o r m a t i o n i s c a r r i e do u t.N u m e r i c a l r e s u l t s s h o wt h a t,e x c e p t t h e t e n s i l e c r a c kb e h i n d t h eb l a s t i n g a r e a,t h em u c k p i l e s h a p e a n dh e a v i n g h e i g h t o b t a i n e db y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a r e a c c o r d a n tw i t h t h e o n e s o b t a i n e db y f i e l d t e s t t o s o m e e x-t e n t,w h i c hd e m o n s t r a t e s t h e f e a s i b i l i t y t o s i m u l a t e t h e t h r e e-d i m e n s i o n a l b e n c hb l a s t i n g b y C D E M. K e y w o r d s:t h r e e-d i m e n s i o n a lb e n c h i n g b l a s t i n g;c o n t i n u u m-d i s c o n t i n u u m e l e m e n t m e t h o d;d a m a g e a n d f r a c t u r e;c o n t a c t d e t e c t i n g;o p e n p i tm i n e;b l a s t i n g m i n i n g(责任编辑张凌云)11-102420。
矿井巷道变形破坏原因分析及设计施工研究
、
巷 道变形 破坏 原 因分析
１ ． 水 的侵 蚀 影 响 巷 道 环 境 多 阴 冷潮 湿 ． 这是 由于 环 境存 在较多的水 ． 而水 的侵 蚀 也 是 巷 道 变 形 破 坏 中广 泛 存 在 的 原
因 井 下环 境 中 的水 会 对 巷 道周 围 的岩 体 结构 及 其 稳 定 性 造
五、 结 论 与 认 识
１ ． 冬季是水 合物形成的高发期 ． 应加强对低产低效井 的
管理 ． 通 过 加 注 甲 醇 和 根 据 井 口油 套 压 、 进 站 压 力 的 波 动 情 况 来 判 断堵 塞征 兆 ， 坚持“ 提前 预防、 合理预防 、 及时解堵” 的 原 则 ２ ． 一旦发生 井堵 ． 需 进 行 地 面管 线 放 空 、 加 大 注 醇 量 等 措 施 解 堵 ３ ． 低产低效 气井地层 能量低 、 携 液困难 ． 在 采 取 泡 排 措
设 计 阶段 加 以 重视 ． 通过优选巷道层位 ， 优 化 巷 道 断 面设 计 ，
＋ 一＋ 一＋ ”＋ 一＋ ”＋ 一＋ 一＋
成影响和破坏 ， 一方面 ， 水 的 长 期 作 用 会 使 围 岩软 化 ， 强 度 和
承载力降 低 ． 使 围岩结构变得更 容易被破坏 ， 从 而 加 剧 了 围 岩 裂 隙 的 发 育 程 度 ．使 巷 道 周 围 岩 体 环 境 变 得更 加不 稳 定 ： 另一方面 ． 水 的存 在还 会 使 已破 碎 松 散 的岩 体 出现 泥 化 流 变
通 管 线 埋 深 小 于 １ ． ２ ｍ 的 容 易 受 到 外 界 温 度 的影 响 ． 所 以 要 着 重对 这 部 分 管 线 进行 掩 埋 维 护 ４ ． 提 高 员 工 责任 心从 而 防 微 杜 渐 责 任 是 一 个 员工 的 内 在问题 ． 责任心涉及一个人 的伦理道德 和价值观 ． 责 任 感 的
巷道支护参数的优化及数值分析
发 展 方 向
溉 ．用 水 量 占石 津 灌 区 总供 水 量 的 ６０％ 以上 ２０１４ ２０１５年 ． 深 州 市 地 下 水 超 采 综 合 治 理 水 利 项 目总 投 资 ７．３６亿 元 ．实 施 了 地 表 水 替 代 地 下 水 灌 溉 工 程 ．涉 及 全 市 ｌ３个 乡镇 １９９个 村 ．治 理 渠 道 １８６８公 里 ．改 造 提 升 灌 溉 面 积 ４９．５５万 亩 同 时 ．深 州 市 进 一 步 推 进 灌 区用 水 户 协 会 建 设 ．在 协 会 管 理 运 行 中坚 持 “四公 开 四到 斗 ”．加 强 工 程 和 用 水 管 理 ．提 高 了灌 溉 用 水 效 益
深 州 在 渠 灌 区 成 立 了 １６ 水 深 度．在 田间 工 程 不 健 全 、量 水 向高 效 端 的 水 转 化 水 资 源
个 农 民用 水 户 协 会 ．每 个 协 会 水 设施 不完 备 的情 况 下 ．可 以 较 配 置 的 发 展 方 向 就 是 要 遵 循
有 管 理 人 员 ３￣９名 ．渠 道 沿 线 受 益 村 的 村 支 部 书 记 、村 委 会 主 任 为 会 员 用 水 户协 会 为 灌 区 群 管 组 织 ．管 理 范 围 为支 渠 工 程 ，负 责工 程 的 日常 运 行 、维 护 ．将 水 输 送 到 斗 渠 口 ．并 根 据 斗 渠 口水 量 向 受 益 村 征 收 水 费 村 级 组 织 为 用 水组 ．管 理 斗 渠 以 下 工 程 ．负 责 渠 道 清 淤 、整 修 ．为用 水 户 浇地 ．并 向 用水 户 征 收水 费
井 灌 区 面 积 ８１万 亩 石 津 总 干 水结 束 后 ．用水 户协 会将 实 用 水 水 投 资 在 社 会 总 投 资 区 各 级 渠 量 、水 费 账 目等 张 榜 向用 水 组 合 理 的 比 例并 保 持 各 类 建 设 治
巷道模拟分析
数 值 模 拟 计 算有限元法（FEM ）是最早发展起来的数值计算方法之一，它通过离散化和建立近似函数，把有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程，对工程问题进行应力与应变等分析。
有限元法不仅可以求解工程问题的位移和应力，还可以对工程问题进行稳定性分析和动力分析，几乎适应于所有工程问题或结构问题的计算领域。
岩体则可看作有一定厚度的面或体，采用平面四边形单元或三维实体单元模拟，各岩层用不同的材料参数定义区分开来，锚杆或锚索可以用一维杆单元或三维杆单元来模拟。
作三维空间分析时，则按实体建模。
应力场中，取竖向边界为应力边界，水平边界设置为铰支座，几何边界条件根据实际情况确定。
2.2 岩体破坏判据的选择本次数值模拟岩体的破坏判据选择Drucker-prager 屈服准则。
工程实践和实验表明，Drucker-prager 屈服准则比较适应于混凝土、岩石等材料。
Drucker-Prager 屈服准则是对Mohr-Coulomb 准则给予近似，以此来修正V on Mises 屈服准则，即在V on Mises 表达式中包含一个附加项，其流动准则即可使用相关流动准则，也可使用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因而没有强化准则，然而，其屈服强度随着侧限压力(静水压力)的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。
另外，这种材料考虑了由于屈服而引起的体积膨胀。
Drucker-Prager 可表示为：k J I =+21α （4-1）其中，I 为应力张量第一不变量；J 2为应力偏张量第二不变量；a 、k 为材料参数。
在数值计算中，DP 材料需要输入的参数有E 、μ、C 、φ和φf ，其确定方法如下：ϕϕσcos 6)sin 3(3-=y C （4-2）⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=-ββϕ3333sin 1 （4-3）上式中的β 和σy 可由单轴受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来，即：)(3t c tc σσσσβ+-=（4-4）)(32t c t c y σσσσσ+=（4-5）因此，如果有单轴受拉屈服应力σc 和单轴受压屈服应力σt 就可以计算出程序需要的输入值。
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第4卷 第4期 地下空间与工程学报V o.l4 2008年8月 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng i neering A ug.2008含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析*左宇军1,唐春安2,李术才3(1.大连大学材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁大连 116622;2.大连理工大学土木与水利工程学院,辽宁大连 116024;3.山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南 250061)摘 要:利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFP A2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大。
关键词:巷道;数值模拟;动力扰动;不连续面;破坏过程;力学特性中图分类号:TD322.4 文献标识码:A 文章编号:1673 0836(2008)04 0595 05Nu m erical Ana l ysis on Fail ure Process of Rock Tunnelw ith D iscontinuity under D yna m ic D isturbanceZ UO Yu jun1,TANG Chun an2,L I Shu ca i3(1.R esearch Center for N u m erical T est of M aterial Fa ilure,D alian University,D alian116622,P.R.Ch i na;2.C i v il&H ydraulic Engineering School,D alian Universit y of T echnology,D alian116024,P.R.Ch i na;3.Geo technical and Structural Engineer i ng R esearch Center,Shandong U ni ver sity,J inan250061,P.R.China)Abstract:Based on m esoscopic damage m echan i cs,a nume rical code RFPA2D is deve l oped to si m ulate t he fa il ure process o f rock tunne lw it h disconti nu ity under dyna m ic d i sturbance,and the fail ure behav i ors o f rock t unne lw ithd iffe rent w i dth of d i sconti nuities dur i ng stress w ave propagati on are discussed.M oreov er,t he stress wave propagati onproperties of t unnelw ith and w it hou t d i sconti nuity are ana l y zed and co m pared i n order to study the m echan i ca l proper ti es o f rock t unnel structure under dynam ic d i sturbance.The res u lts sho w that the attenua ti on o f stress w ave is obv i ous because o f d i sconti nu ity i n t he surroundi ng rock of tunne,l and t he i nfl uence of discon tinu it y on stability and fail ure o f tunne l i s grea t.K eyword s:tunne;l nu m er ica l si m u l a ti on;dynam ic d isturbance;d i sconti nu ity;fail ure pro cess;m echan ica l properties1 引言由于地质构造应力场的作用,岩体中残留了不同等级的构造形迹[1]。
在巷道工程中,即使主巷道选用完整、坚硬岩石作为围岩,也可能在局部部位上遇到破碎岩体的断层带,如采煤巷道有薄煤层这样软弱夹层是常见的[2]。
这些大小断层及节理裂隙对巷道围岩稳定性影响是明显的,其规律也较*收稿日期:2008 04 17(修改稿)作者简介:左宇军(1965 ),男,博士,副教授,主要从事岩石动力学与爆破技术方面的教学与研究工作。
E m a i:l z uo.yu j un@yahoo.co 基金项目:国家自然科学基金(40638040)和973计划(N o.2007CB209407)资助。
复杂[1]。
若断层破碎带宽度在数毫米至数厘米之间,其间的软弱夹层不会直接构成对工程的危险,但节理或软弱夹层的存在削弱了整个岩体的强度和稳定性[3]。
此种结构在一般情况下虽稳定,但在遇到一定强度的外界扰动,如爆炸应力波作用时,即可能受到破坏,围岩稳定性难以控制[2]。
所以,研究含软弱夹层及不连续面巷道在动力扰动下的破坏具有现实意义。
为安全生产需要,一般都研究含软弱夹层巷道在受上部岩体重力作用时的情形[4~6]。
目前,对动力扰动下巷道的稳定性研究也正逐步深入,主要集中在:根据热力学第二定律,研究震动条件下煤岩体相变以及震动波传播过程围岩劣化对稳定性的影响、质点振动速度对稳定性的影响、节理岩体在震动条件下的失稳破坏、利用谱分析研究围岩稳定性以及锚网支护对震动波的响应分析等[7~10]。
其中,在震动波诱发巷道动力失稳方面,L it w i n iszyn 通过作图法说明煤层中传播的震动波在一定条件下会诱发巷道的动力失稳[11];姜耀东等以一维分析为例,利用解析方法分析了震动波传播对煤岩中应力和变形的影响机制,从理论上解释了炮采震动因素诱发巷道冲击地压动力失稳破坏的原因[12]。
在对含软弱夹层巷道在动力扰动下的稳定与失稳研究方面,夏致晰等[2]应用结构数值分析软件AN SYS模拟出爆炸应力波作用下含软弱夹层巷道结构的力学特性,而对含软弱夹层及不连续面巷道在动力扰动下的破坏过程研究较少。
本文尝试利用新近开发的岩石动态破裂过程分析系统RFPA2D[13~15],将岩石视为非均匀介质,从细观角度对动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程进行分析和探讨。
2 动力扰动下岩石破坏过程分析系统原理基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFP A2D是一个能够模拟岩石渐进破坏的数值模拟程序,它将岩石的非均匀性参数引入到基元中去,用细观非均匀性实现宏观非线性,使细观基元破裂的积累到宏观破裂的发生与发展的整个过程得到直观体现。
为了反映岩石材料性质的细观非均匀性,在该程序中首先把岩石材料看作是由大小相同的四边形单元组成,假定其材料性质满足W e i b u ll分布[15]:( )=mm-1e-( 0)m(1)式中: ( )为岩石具有某一力学性质 的微元体概率密度; 代表材料微元体力学性质(强度、弹性模量、泊松比和容重等); 0代表微元体力学性质平均值;m定义了分布函数的形状,其物理意义反映了岩石材料的均质性,可以将其定义为均质度系数,m越大,岩石越均质;反之,则越不均质。
式(1)反映了某种非均匀材料构成组分的分布情况。
同时,上述组成材料的单元也是有限元分析的单元。
岩巷破坏是由于动力扰动(主要指的是爆破影响)触发的,这种随机动荷载的定量计算可采用下述有限元方程[13]M U+CU+K U=R(2)式中:M为质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为刚度矩阵,R为计算模型中的外部载荷,U,U和U分别为位移向量、速度向量和加速度向量。
在加载过程中,外部载荷是分步施加的,在某个加载步,借助有限元进行应力分析,可以得到整个分析对象的应力和应变分布。
RFPA2D认为,细观基元的性质是简单的弹塑性或者简单的弹脆性,当基元应力达到破坏准则时则发生破坏。
在模型分析中,采用莫尔–库仑准则和最大拉应力准则来判断单元是否发生破坏[15,16]。
对于发生破坏的单元,按照简单的弹性损伤力学本构关系进行单元的破坏处理,然后进入下一加载步的分析,直到整个分析过程结束。
同时,对于发生破坏的单元,采用刚度退化处理,达到用连续介质力学方法处理物理非连续性的问题。
在动态分析中,以1个应力脉冲作为输入波,在给定合理时间步长的条件下,按照时间步长进行逐步分析。
有关RFPA2D动态分析部分更为详细的描述和验证工作,请参见文[13~15]。
3 数值模拟与分析3.1 数值模型取某巷道工程一断面处的破坏作为计算实例,该巷道为未经加固的裸巷。
模型只考虑地面的应力波(球面波)作用对巷道的破坏,忽略地应力作用对巷道结构内各点变形的影响。
巷道的计算模型如图1所示,模型的四边为自由边界。
模型尺寸为100100m2,巷道为马蹄形,其中矩形部分尺寸为1515m2,圆冠高度为3m。
图1中d为外部施加的动力扰动。
在通常的596地下空间与工程学报 第4卷动力分析中,为简化计算,将动荷载假设成一脉冲荷载。
在此,只分析球面波对巷道破坏的影响,并假设加载波为梯形波,如图2所示,正压时间为1.5!s ,正压峰值为220MPa 。
巷道围岩的力学计算参数如表1所示。
图1 计算模型图F i g .1 M ode l for calculation图2 加载波形F ig .2 L oad i ng w avefor m用数值试样模型来表示实际计算模型,数值试样模型为100 100mm 2,设定试样单元尺寸为0.5mm 。
假设材料是非均匀的,其力学特性服从W e i b u ll 分布,数值试样单元的W e i b u ll 分布参数如表2。
由表2所示的单元组成的试样的宏观力学参数与表1所示的岩石力学参数近似对应。
表1 岩石力学参数取值表Tab le 1 Va l ue s of m echan ical para m eters for rock参数名称取值容重(g /cm 3)2.76弹性模量(G Pa)30泊松比0.3抗拉强度(M P a)3.00抗压强度(M P a)30内摩擦角(!)35本文讨论的模型分如下两种情况:(1)巷道围岩为完整岩石。