兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1735-1746.doi: 10.12382/bgxb.2023.0254
杨建华1, 彭超1, 叶志伟1,*(), 冷振东2, 魏彬3
收稿日期:
2023-03-27
上线日期:
2023-06-27
通讯作者:
基金资助:
YANG Jianhua1, PENG Chao1, YE Zhiwei1,*(), LENG Zhendong2, WEI Bin3
Received:
2023-03-27
Online:
2023-06-27
摘要:
地应力对岩体爆炸应力与爆炸能量的分布有重要影响。针对深部岩体爆破冲击波能量分布,基于叠加原理,计算地应力和爆炸荷载双重作用下岩体爆炸应力分布,结合岩体破坏准则,得到了冲击波作用下深部岩体的破坏特征,分析不同工况下传递入深部岩体引起爆破扩腔、径向裂隙扩张及岩石弹性变形的冲击波能量占比,采用数值模拟方法探究了地应力对岩体爆破冲击波能量分布的影响。研究结果表明:岩体性质、炸药性能及地应力水平均会对深部岩体冲击波能量分布产生显著影响;高地应力环境下,硝铵炸药传递入硬岩(花岗岩)的冲击波总能量占比及有效能量的占比较于软岩(页岩)更小,与低性能炸药相比,采用高性能炸药爆破时传递入花岗岩的冲击波总能量占比及有效能量的占比更大;随地应力增大,用于爆腔膨胀的冲击波能量占比基本不变,用于裂隙扩张的冲击波能量占比近似呈线性减小,用于引起弹性变形的冲击波能量占比近似呈指数增长;高地应力环境下,传递入岩体的冲击波总能量占比虽然较大,但有效能量的占比较小;研究成果可为改善深部岩体爆破冲击波能量分布及提升岩体爆破效果提供参考。
中图分类号:
杨建华, 彭超, 叶志伟, 冷振东, 魏彬. 深部岩体爆破冲击波能量分布特征[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1735-1746.
YANG Jianhua, PENG Chao, YE Zhiwei, LENG Zhendong, WEI Bin. Energy Distribution of Shock Wave in Deep Rock Mass Blasting[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(6): 1735-1746.
工况编号 | 岩体类型 | 炸药类型 | 地应力水平 | |
---|---|---|---|---|
σv/MPa | σh/MPa | |||
EI-1 | 页岩、石灰岩、花岗岩 | 硝铵炸药 | 50 | 50 |
EI-2 | 花岗岩 | 乳化炸药、硝铵炸药、铵油炸药 | 50 | 50 |
EI-3 | 花岗岩 | 硝铵炸药 | 0、10、20、30、40、50、60 | 0、10、20、30、40、50、60 |
表1 冲击波破坏范围计算工况
Table 1 Calculation of shock wave failure range
工况编号 | 岩体类型 | 炸药类型 | 地应力水平 | |
---|---|---|---|---|
σv/MPa | σh/MPa | |||
EI-1 | 页岩、石灰岩、花岗岩 | 硝铵炸药 | 50 | 50 |
EI-2 | 花岗岩 | 乳化炸药、硝铵炸药、铵油炸药 | 50 | 50 |
EI-3 | 花岗岩 | 硝铵炸药 | 0、10、20、30、40、50、60 | 0、10、20、30、40、50、60 |
岩体 类型 | ρm/ (kg·m-3) | Cp/ (m·s-1) | σc/ MPa | σt/ MPa | Em/ GPa | μ0 |
---|---|---|---|---|---|---|
页岩 | 2000 | 1950 | 50 | 5.6 | 18.0 | 0.28 |
石灰岩 | 2600 | 3430 | 110 | 10.0 | 32.5 | 0.24 |
花岗岩 | 2670 | 5500 | 180 | 15.0 | 70.0 | 0.22 |
表2 岩体力学参数
Table 2 Mechanical parameters of rock mass
岩体 类型 | ρm/ (kg·m-3) | Cp/ (m·s-1) | σc/ MPa | σt/ MPa | Em/ GPa | μ0 |
---|---|---|---|---|---|---|
页岩 | 2000 | 1950 | 50 | 5.6 | 18.0 | 0.28 |
石灰岩 | 2600 | 3430 | 110 | 10.0 | 32.5 | 0.24 |
花岗岩 | 2670 | 5500 | 180 | 15.0 | 70.0 | 0.22 |
炸药类型 | ρ0/(kg·m-3) | D/(m·s-1) | Q/(MJ·kg-1) |
---|---|---|---|
乳化炸药 | 1300 | 4000 | 4.19 |
硝铵炸药 | 1000 | 3600 | 3.76 |
铵油炸药 | 1100 | 2700 | 2.80 |
表3 理论计算中炸药参数
Table 3 Explosive parameters in theoretical calculation
炸药类型 | ρ0/(kg·m-3) | D/(m·s-1) | Q/(MJ·kg-1) |
---|---|---|---|
乳化炸药 | 1300 | 4000 | 4.19 |
硝铵炸药 | 1000 | 3600 | 3.76 |
铵油炸药 | 1100 | 2700 | 2.80 |
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρr/(kg·m-3) | 2660 |
剪切模量G/GPa | 21.9 |
剪压强度比 | 0.18 |
拉压强度比 | 0.04 |
EOS多项式参数T1/GPa | 35.27 |
EOS多项式参数T2/GPa | 0 |
初始损伤参数D1 | 0.04 |
损伤参数D2 | 1.0 |
雨贡纽系数A1/GPa | 35.24 |
雨贡纽系数A2/GPa | 39.58 |
雨贡纽系数A3/GPa | 9.04 |
失效面参数Af | 1.60 |
失效面指数n | 0.61 |
残余应力强度参数Af | 1.60 |
残余应力强度指数nf | 0.61 |
EOS多项式参数B0 | 1.22 |
EOS多项式参数B1 | 1.22 |
参考压缩应变率EOC | 3×10-5 |
参考拉伸应变率EOT | 3×10-5 |
失效压缩应变率EC | 3×1025 |
失效拉伸应变率ET | 3×1025 |
拉压子午比参数Q0 | 0.68 |
罗德角相关系数Bl | 0.01 |
压缩屈服面参数GC* | 0.53 |
拉伸屈服面参数GT* | 0.7 |
孔隙压缩时压力Pel/MPa | 125 |
孔隙压实时压力Pcomp/GPa | 6 |
剪切模量缩减系数ξ | 0.5 |
侵蚀塑性应变EPSF | 2.0 |
最小失效应变 | 0.01 |
孔隙度指数N | 3.0 |
初始孔隙度a0 | 1.0 |
压力对拉伸下塑性流动的影响PTF | 0.001 |
拉伸应变率指数βt | 0.036 |
单轴抗压强度fc/MPa | 167.8 |
压缩应变率指数βc | 0.032 |
格林艾森常数GAMMA | 0 |
表4 岩石的RHT模型参数
Table 4 RHT model parameters of rock
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρr/(kg·m-3) | 2660 |
剪切模量G/GPa | 21.9 |
剪压强度比 | 0.18 |
拉压强度比 | 0.04 |
EOS多项式参数T1/GPa | 35.27 |
EOS多项式参数T2/GPa | 0 |
初始损伤参数D1 | 0.04 |
损伤参数D2 | 1.0 |
雨贡纽系数A1/GPa | 35.24 |
雨贡纽系数A2/GPa | 39.58 |
雨贡纽系数A3/GPa | 9.04 |
失效面参数Af | 1.60 |
失效面指数n | 0.61 |
残余应力强度参数Af | 1.60 |
残余应力强度指数nf | 0.61 |
EOS多项式参数B0 | 1.22 |
EOS多项式参数B1 | 1.22 |
参考压缩应变率EOC | 3×10-5 |
参考拉伸应变率EOT | 3×10-5 |
失效压缩应变率EC | 3×1025 |
失效拉伸应变率ET | 3×1025 |
拉压子午比参数Q0 | 0.68 |
罗德角相关系数Bl | 0.01 |
压缩屈服面参数GC* | 0.53 |
拉伸屈服面参数GT* | 0.7 |
孔隙压缩时压力Pel/MPa | 125 |
孔隙压实时压力Pcomp/GPa | 6 |
剪切模量缩减系数ξ | 0.5 |
侵蚀塑性应变EPSF | 2.0 |
最小失效应变 | 0.01 |
孔隙度指数N | 3.0 |
初始孔隙度a0 | 1.0 |
压力对拉伸下塑性流动的影响PTF | 0.001 |
拉伸应变率指数βt | 0.036 |
单轴抗压强度fc/MPa | 167.8 |
压缩应变率指数βc | 0.032 |
格林艾森常数GAMMA | 0 |
ρ0/ (kg·m-3) | D/ (m·s-1) | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | pcj/ GPa | E0/ GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1320 | 6690 | 586 | 21.6 | 5.81 | 1.77 | 0.282 | 16 | 7.38 |
表5 数值模拟中炸药参数
Table 5 Explosive parameters for numerical calculation
ρ0/ (kg·m-3) | D/ (m·s-1) | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | pcj/ GPa | E0/ GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1320 | 6690 | 586 | 21.6 | 5.81 | 1.77 | 0.282 | 16 | 7.38 |
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