高原露天台阶上部冻层破断规律数值分析.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属(矿山部分)N o n f e r r o u sM e t a l s(M i n i n gS e c t i o n)V o l ,N o M a y d o i:/j i s s n 高原露天台阶上部冻层破断规律数值分析李尧臻,韩雨东,常远(辽宁科技大学 土木工程学院,辽宁 鞍山 )摘要:上部冻层是影响高原露天台阶爆破效果的主要因素之一,为明确高原露天台阶上部冻层在爆破荷载作用下的破断规律,利用颗粒流数值方法模拟了天然单冻层和人工复合双冻层分别在单、双排炮孔作用下的破断过程,分析了冻层破断过程的速度、冲击压力和破断后的块度特征.结果表明:冻层在爆破荷载作用下经历
2、了产生裂隙局部隆起宏观断裂的破坏过程,对于人工复合冻层,由于上部增加了碎石土层,冻层厚度增大,削弱了冻层整体的隆起趋势,导致破碎块度增大.双排炮孔之间冻层受到的冲击压力率先达到峰值,但靠近自由面的冻层受到的冲击压力峰值更高.单、双冻层在爆破荷载作用下的破断问题可简化为冲击压力作用下的结构断裂问题.双冻层台阶爆破大块率比单冻层大块率高,建议在高原露天矿山爆破中,优先通过冻土层厚度确定需要进行特殊处理的区域,并通过调整延期时间达到降低大块率,提高铲转挖运效率的目的.关键词:高原寒区;冻层;爆破荷载;颗粒流;块度特征中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()N u m e r i c a l
3、a n a l y s i so f t h eu p p e r f r o z e n l a y e r f r a c t u r e i np l a t e a uo p e n p i tb e n c hL IY a o z h e n,HANY u d o n g,CHANGY u a n(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yL i a o n i n g,A n s h a nL i a o n i n
4、 g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h eu p p e r f r o z e nl a y e r i so n eo f t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h eb l a s t i n ge f f e c to f t h ep l a t e a uo p e n p i tb e n c h T oc l a r i f yt h e f r a c t u r e l a wo f t h eu p p e r f r o z e nl a y e ro f t h eo p e n p i t
5、b e n c hu n d e r t h eb l a s t i n gl o a d i nt h ec o l da r e ao f t h ep l a t e a u,t h i sp a p e r u s e s t h ep a r t i c l e f l o wc o d em e t h o d t o s i m u l a t e t h e f r a c t u r ep r o c e s s o f t h en a t u r a l s i n g l ef r o z e n l a y e ra n dt h ea r t i f i c i
6、a l c o m p o s i t ed o u b l e f r o z e n l a y e ru n d e r t h ea c t i o no f s i n g l ea n dd o u b l e r o w so fb l a s th o l e sr e s p e c t i v e l y T h e f r o z e n l a y e r ss p e e d,i m p a c tp r e s s u r e,a n df r a g m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n
7、a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r o z e nl a y e ru n d e r g o e st h ef a i l u r ep r o c e s so fc r a c k i n g l o c a lu p l i f t m a c r of r a c t u r e F o rt h ea r t i f i c i a lc o m p o s i t e f r o z e n l a y e r,t h e t h i c k n e s s i n c r e a s e sd u e t
8、o t h e i n c r e a s eo f t h eg r a v e l s o i l i n t h eu p p e rp a r t,w h i c hw e a k e n st h eo v e r a l l u p l i f t t r e n do ft h ef r o z e nl a y e ra n dl e a d st oi n c r e a s e df r a g m e n t a t i o n T h e i m p a c tp r e s s u r eo nt h ef r o z e nl a y e r i nt h em i
9、 d d l eo f t h ed o u b l e r o wb l a s t h o l e f i r s t r e a c h e s t h ep e a k,b u t t h ep e a kv a l u eo n t h e f r o z e n l a y e rn e a r t h ef r e es u r f a c e i sh i g h e r T h e f r a c t u r ep r o b l e mo f s i n g l e a n dd o u b l e f r o z e n l a y e r su n d e rb l a
10、 s t i n g l o a dc a nb e s i m p l i f i e da st h es t r u c t u r a l f r a c t u r em e c h a n i c sp r o b l e mu n d e r i m p a c t p r e s s u r e T h e l a r g eb l o c kr a t e o f d o u b l e f r o z e n l a y e r b e n c h i st o h i g h e r t h a nt h a to fs i n g l e f r o z e n l a
11、 y e r I t i ss u g g e s t e dt h a t i nt h eb l a s t i n go fp l a t e a uo p e n p i tm i n e s,t h ea r e a t h a tn e e d ss p e c i a l t r e a t m e n ts h o u l db ep r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n e db yt h et h i c k n e s so ft h ef r o z e nl a y e r,a n dt h el a r g eb l o c
12、kr a t es h o u l db er e d u c e db ya d j u s t i n gt h ed e l a yt i m e t o i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f s h o v e l t o d i g g i n g K e yw o r d s:p l a t e a uc o l dr e g i o n;f r o z e n l a y e r;b l a s t i n g l o a d s;p a r t i c l e f l o wc o d e;f r a g m e n t a t i
13、 o nf e a t u r e收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();辽宁科技大学大学生创新创业训练项目作者简介:李尧臻(),男,土木工程专业,主要研究方向为露天矿山爆破,E m a i l:q q c o m.通信作者:韩雨东(),男,讲师,主要研究方向为矿山边坡稳定性,E m a i l:h a n y u d o n g u s t l e d u c n.高原寒区露天矿表层冻层是影响爆破效果的主要因素之一,当采取常规爆破方案时,极易产生冻层大块,给后续的铲装和挖运作业带来了极大困难,同时增加了经济成本.因此,探讨爆破荷载作用下高原寒区表层冻层破断规律对矿山安全高效生产具有
14、重要意义.有色金属(矿山部分)第 卷关于冻结岩土层的物理力学特性已有较多研究,如李顺群等发现影响冻土力学性质最显著的是温度,各因素之间有交互作用影响.刘添华等基于B o l t z m a n n函数建立季节性冻土数学模型,发现季节性冻土中温度与电容呈正比关系.夏锦红等建立了冻土导热系数的几何及计算模型.对于冻土发育变化的研究,孙哲等基于多重分形理论,发现多年冻土区草甸退化程度与颗粒粗粒化程度成正比.CHANG等展现出应变软硬化、高膨胀和压力熔化特征.WANG等推导了冻土的多尺度增量弹塑性构成模型.HE等确定了冻土在p q面和面的强度函数,提出了冻土的三维非线性统一强度判据.Z HOU建立了相
15、似性理论和土壤冻结特性曲线预测土壤解冻特性实用模型,探究了冻土中未冻水的滞后行为.王兵强通过研究孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响,发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律.张致龙等 基于H a g e n P o i s e u i l l e方程建立了冻土的渗透系数模型.孙洪伟 通过补充冻土剖面建立的冻结分区解释了冻土的微观冻结层次,讨论了冻土的发育变化.综上,目前关于冻土层的研究更多是从不同角度探讨冻土的宏微观特性.在高原露天台阶爆破过程中,全铭等 通过室内力学试验分析冻土的抗拉强度和抗压强度与温度间的动态关系,提出深、浅孔组合爆破技术.许登伟等 基于利文斯顿爆破漏斗理论,针
16、对青海露天采场三种不同岩性的矿岩开展试验.总结得到合理的爆破参数组、孔距、排距和单孔装药量.陈化南等 提出了在两排主炮孔之间穿插浅孔的辅助爆破技术,采用复式微差起爆网路,结合精细化爆破理念,在西藏玉龙矿取得了良好的爆破效果.陈啸林等 在孔距和不耦合系数等爆破参数对岩石双孔爆破裂纹扩展规律的研究中,得到在预裂爆破时不耦合系数以及孔距的最佳预裂爆破的爆破参数.但少有研究探讨爆破荷载作用下冻层的破断规律.基于此,本文主要通过数值模拟开展了天然冻层和人工复合冻层在不同工况下的破断过程研究,旨在为高原寒区露天矿爆破作业提供参考.数值模型 几何模型在工程实践中,高原露天台阶上部冻层主要包含两种类型:天然单
17、冻层和人工复合冻层.天然单冻层主要由天然冻土组成,平均厚度为 m,而人工复合冻层主要分布于矿山行车道,由人工铺设的碎石土(m厚)与天然冻土在路面晒水降尘后冻结形成(图).根据工程实际(局部台阶高度为 m,坡角 ,前排炮孔距离自由面的水平距离为 m,炮孔直径为 mm),建立了两种露天台阶爆破模型,几何模型如图所示,天然冻土层和人工碎石土层 的厚度分别 设置为 m和m,台阶局部坡角均为 ,设置了单孔和双孔两种爆破方式,每个炮孔的装药长度均为m,具体参数详见表.数值模型的建立过程未考虑岩土的空间变异性.图高原矿山台阶冻层类型F i g T y p eo f f r o z e nl a y e r
18、i nt h ep l a t e a uo p e n p i tm i n e第期李尧臻等:高原露天台阶上部冻层破断规律数值分析图露天台阶爆破模型尺寸示意图(单位:m)F i g T h ed i a g r a mo f t h eo p e np i tb e n c hb l a s t i n gm o d e l d i m e n s i o n(U n i t:m)表露天台阶爆破模型参数统计表T a b l eP a r a m e t e r so fo p e np i tb e n c hb l a s t i n gm o d e l模型类别单层双层单排双排单排双排模
19、型深度/m 模型坡顶面长度/m 台阶坡面角/()台阶高度/m坡底面平台宽度/m 模型底边长度/m 冻层厚度表层下层炮孔直径/mm 炮孔深度/m装药长度L/m颗粒个数 根据台阶爆破的几何模型,利用P F C D建立对应的数值模型,图所示为单冻层双炮孔的数值模型,共包含 个颗粒,最大和最小颗粒半径分别为 mm和 mm.模 型 左 侧、右 侧以及 底 部 均 通 过 墙 来 约 束,并 设 置 为 无 反 射边界.有色金属(矿山部分)第 卷图单冻层双炮孔数值模型图F i g N u m e r i c a lm o d e l o fd o u b l eb l a s th o l e s i n
20、a s i n g l ef r o z e n l a y e r 模型参数标定岩体力学参数在前期通过室内试验获取了高原寒区某露天矿现场冻土的基本力学参数,结合马毓婷等 在岩体力学参数对露天矿终了边坡稳定性影响的敏感性中的研究方法,其中人工复合冻层的抗压强度为 MP a,抗拉强度为 MP a,天然冻层抗压强度为 MP a,抗拉强度为MP a,下覆岩 石 的 抗 压 强 度 为 MP a,抗 拉 强 度 为 MP a.结合陈鹏宇等 利用P F C D建立模型对岩石单轴压缩的研究方法,采用“试错法”对模型的细观参数进行了标定,反复调整细观参数使模拟值与试验值接近,图为冻土单轴压缩试验和数值模拟的
21、应力应变曲线,最终确定的碎石、冻土和岩石细观参数列于表.图单轴压缩应力应变曲线F i g S t r e s s s t r a i nc u r v e so fu n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t 爆破荷载施加对爆破荷载的模拟中,本文使用常规的爆破荷载曲线的方式,总结李萍丰等 的研究,数值模拟中模拟爆炸应力波的施加具体如图所示,其表达表细观力学参数表T a b l e T h e t a b l eo fm i c r o m e c h a n i c a l p a r a m e t e r名称参数值碎石冻土岩石有效模量/G P a
22、 刚度比 平行黏结有效模量/G P a 平行黏结有效抗拉强度/MP a 平行黏结内聚力/MP a 最小颗粒半径/mm 最大颗粒半径/mm 颗粒密度/(k gm)颗粒摩擦系数 颗粒法向与切向阻尼比 /式如式()所示.在实际爆破作业中,爆破荷载作用时间小于 m s,因此在本文模拟中T取 m s.以炸点膨胀加载法结合爆炸荷载曲线模拟炸药爆轰波,并开展不同工况下的系列数值试验.P(t)Pr c o s Tt()图爆轰波示意图F i g T h ed e t o n a t i o nw a v ed i a g r a m 结果分析 冻层破断特征图为种不用工况对应的冻层破坏过程.由图(a)可知,露天台
23、阶炮孔起爆瞬间,炮孔内壁受到爆轰波压力冲击,随后将冲击压力传向自由面,自由面出现大量破断裂隙,表层冻层靠近坡面一侧与台阶坡面向外隆起.随着柱状药包的单元颗粒膨胀及爆轰波压力的加载,冲击压力传入天然冻土层中,台阶坡面产生的碎块朝坡面垂直方向抛掷,表层冻层破断裂隙增多,靠左侧边界部分冻层向上抛出,靠近台阶坡面部分向右上方向上抛掷.第期李尧臻等:高原露天台阶上部冻层破断规律数值分析图露天台阶冻层破断过程F i g T h eb r e a k i n gp r o c e s so f f r o z e nl a y e r i no p e n p i tb e n c h图(b)为单冻层双炮孔
24、(同时起爆)的冻层破断过程.冻层尤其是靠近右排炮孔的位置产生明显隆起,位于两排炮孔间的冻层由于受到前后爆破冲击压力的共同作用,产生的碎块块度较小.与单冻层不同,双冻层由于表层冻层厚度的增加,没有明显的隆起(图 c),并且碎块块度较大.随着时间推移,大块逐渐破碎,块度减小,但仍比单冻层产生碎块块度大,且向上抛掷,位移较小,台阶坡面非冻层岩块同样向坡面垂直方向抛掷.在模拟人工碎石土冻层加天然冻土层的双冻层双炮孔露天台阶破断过程中(图 d),与单排炮孔爆破后碎块向台阶坡面垂直方向抛掷不同,双排爆破炮孔中间上部的冻层大块向右上方抛掷,整体而言,双冻层爆破后形成的碎块块度较大.冻层破断过程的速度及冲击压
25、力在不同冻层类型露天台阶模型建立时,以其左下角顶点为原点(向右、向上为正),在数值模型内设置了速度与压力的监测点,如图(a)所示.其中,单冻层单炮孔露天台阶内x向速度监测点位于填塞段右侧,在天然冻土层中横向排列;单冻层双炮孔露天台阶内x向速度监测点分别位于两排填塞段右侧.根据上述监测点位对获得的数据进行整理并绘图,得到露天台阶爆破过程x向速度时间变化曲线如图(b)所示.对于单层单孔而言,在同一水平高度上越靠近炮孔的颗粒速度越大,且监测点的速度随着爆轰波压力的传递,整体先波动上升后下降收敛,且距离自由面越近速度曲线上升段的波动特征越明显.位于两排炮孔中间的颗粒速度远大于右侧(单层双孔),且靠近自
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