二步回采围岩和充填体爆破损伤特征及安全阈值研究

发布时间：2020-04-20 13:26

【摘要】：在高阶段深孔充填采矿法二步骤回采过程中,采场频繁爆破作业产生的动载荷,不可避免地在围岩及充填体产生累积损伤和振动等动态效应,甚至诱发其失稳破坏。因此,开展二步回采爆作用下围岩及充填体的爆破损伤特性及安全阈值,具有重要的理论意义和工程价值。论文依托福州大学横向项目“紫金山金铜矿采场回采爆破控制技术研究”(01051602),针对紫金山深部二步回采爆破过程中面临的各种问题,综合运用理论分析、数值模拟、模型实验及现场工业实验等多种手段开展研究。主要内容如下:(1)修正了球状药包爆炸应力场公式,分析了入射波、反射波和折射波的位移幅值与入射角的转换关系;采用Starfield迭加法推导了岩石/充填体界面处的拉应力计算公式。(2)基于萨道夫斯基公式、爆破振动速度高程放大效应、爆炸应力波反射与迭加效应三种不同途径,理论推导了爆破岩体内部应力场与表面振动速度的转换关系,数值模拟及模型实验的结果均表明,基于爆炸应力波反射与迭加效应的转换关系明显优于基于萨道夫斯基公式的转换关系和基于爆破振动速度高程放大效应的转换关系。(3)给出了岩石的断裂损伤判据,据此可判断在前述理论计算所得应力状态下,岩石及充填体是否产生损伤。定义了岩石的初始损伤变量、相对损伤变量及基于岩体声速变化的损伤变量。此外,指出爆破动荷载导致岩体宏观失效的过程并不是单次爆破作业造成的,而是多次爆破共同作用的结果;岩石的损伤增量具有延续相对性,基于此,对经典的爆破损伤增量及累积损伤计算公式进行修正。(4)以紫金山深部铜矿高阶段充填采矿法二步回采为工程背景,基于爆炸相似理论,设计并制作了2个同尺寸的多介质耦合混凝土模型,采用导爆管雷管进行爆破。爆破过程中,分别运用Blast-Ultra高速多路动态应变测试系统、PDS-SW声波测试仪和Blast-UM型爆破测振仪对不同介质中的爆炸应力场、爆破前后介质的声波变化及模型顶面的振动速度进行监测,分析监测数据并对理论分析结果进行验证和分析。(5)基于爆破损伤和动态应力比,相应提出了两种爆破振动安全阈值的确定方法,据此确定紫金山深部铜矿1:8充填体和1:10充填体的爆破振动安全阈值分别为5.17cm/s和5.28cm/s;短期、中期和长期使用巷道围岩的爆破振动安全阈值分别为18.63cm/s,1 2.42cm/s和6.21cm/s,并给出了相应的爆破振动安全控制措施。(6)鉴于空气间隔装药爆破能有效减弱爆破振动效应,针对90mm、110mm、160mm三种直径的炮孔进行室内实验,得到空气间隔器随炮孔直径和装填高度变化的受力规律,同时,将直接压强与装填过程的冲击压强进行对比。在此基础上,优化设计出一种科学合理的炮孔空气间隔器,其在紫金山金铜矿深部采场爆破工业试验中应用效果良好。
【图文】：

需进行以下假设：①异质界面较为规整；②充填体与矿岩粘结紧密？，③矿岩与充填体均为逡逑各向同性弹性体；④单孔各装药段同时起爆［７］。逡逑球状药包在岩体中爆炸，只激起纵波。如图２－１所示，以球状药包中心为原点建立球逡逑坐标系，文献［８７］［８８］认为第ｆ个球状药包爆炸在球坐标系（ｒ，０，的点处的入射纵波Ｐ各应力分量逡逑为：逡逑２（１＋小邋卜丫”逡逑°－ｒ，＝逦Ｆ邋－Ｏ－ｒｎａｘ＇—逡逑ＩＹ逦＾邋＼逦（逦＾邋（邋ｒ邋＼逦ｉ邋（＾２＇８）逡逑（＾＋＾＋２４ｅｘｐ（＇＾）＇（＾＋＿＾＋２４ｅｘｐ＾＾逡逑２（１邋＋邋／／）逦（ｒＹ逡逑？ｒ逦．ｇ？画－—逡逑Ｅ逦［ｒ邋Ｊ逡逑「逦（式邋２－９）逡逑２Ａ邋＋邋２Ｇ邋＋邋－邋＋邋＾－邋－ｅｘｐｒ－＾ｌｌ－邋２Ｘ邋＋邋２Ｇ邋＋邋－邋＋邋＾－邋－ｅｘｐ（－＾ｚ－）逡逑人逦ｒ邋ｃＰｉ邋Ｊ邋＼邋ｓ２Ｊ邋ｙ逦ｒ邋２Ｃｐｌ邋Ｊ逦＿逡逑式中，0■？＿、＜ｒｅ，＋邋（0？＿）分别为第／＿个球药包在该点的径向与环向应力分量；Ａ、Ｇ为Ｌａｍ６常逡逑数；五分别为岩石弹性模量；Ｗａｘ为孔壁冲击压力峰值为衰减系数；为圆频率，逡逑必＝邋７ｉＣｐｌ／（３／0，邋Ｃｗ为矿岩纵波波速；ｔ为以波峰

筑充填体沿结合面的整体剪切破坏一般不会发生。另外考虑到充填体的抗拉强度远低于抗逡逑压强度，因此，在爆破载荷作用下，防止充填体在结合面的拉断破坏成为爆破控制的关键。逡逑如图２－２所示，将入射波和反射波的拉应力在空间直角坐标系中进行正交分解，，并将各等逡逑效单元球药包产生的爆炸应力值进行迭加，可得：逡逑ａｒｉ邋ｓｉｎ＾？（／ｌｃｏｓ６＞邋＋邋＾？ｓｉｎ＾）邋＋邋ｃｒｒ．邋ｓｉｎ＾（／ｌｓｉｎ＾＞邋＋邋／？ｃｏｓ＾＞）逡逑义方向：＜ｙ＆ｘ邋＝邋２＾逦ｒ邋．逡逑，＝，逦ｉ邋＋Ｗ：ｉ２逡逑ｌ邋ｒ＞邋Ｊ逡逑＜ｔ邋ｃｏｓ＾（／ｌｓｉｎ邋＋邋／？ｃｏｓ＾＞）邋＋邋ｃｒｒｉ邋ｓｉｎ＾？（Ａｓｉｎ６＞邋＋邋／？ｃｏｓ＾）逡逑Ｆ方向：0＾＝么逦．，逦逦Ｘｇ逦逡逑＾逦－＝＇逦｜邋批２邋＋Ｗｊ邋＋ＩＶＺＩ２邋ｊ逦（式邋２－３３）逡逑ｌ邋Ｊ逡逑＾邋ｃｒｎ．邋ｓｉｎ＾（／ｌｃｏｓ＾邋＋邋／？ｓｉｎ＾）邋＋邋ｃｒｎ邋ｃｏｓ６，（Ａｃｏｓ＾＞邋＋ｉ？ｓｉｎ＾？）逡逑Ｚ方向：°＾＝上逦／邋，邋，逦．邋—ｒｙ逡逑，＝丨逦柯邋＋邋ＷＪ邋＋邋Ｗ，逡逑．逦Ｉ邋ｒ＞邋Ｊ逡逑式中
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD853.34;TD235

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本文编号：2634591