[發(fā)明專利]一種露天礦邊坡爆破過程穩(wěn)定性的分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310723939.6
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103745040A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周玉祥;李瑩瑩;崔鐵軍;宋子嶺;周玉民;趙曉亮;周揚(yáng);羅根華
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 鄭虹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤炭露天開采工程，特別是涉及一種露天礦邊坡爆破過程穩(wěn)定性分析方法。?

背景技術(shù)

巖體在爆破作用下將會產(chǎn)生破碎和損傷，其作用原理被普遍認(rèn)為是爆炸沖擊波與應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果。首先爆炸產(chǎn)生的壓應(yīng)力將巖石壓碎，隨后環(huán)向拉應(yīng)力與應(yīng)變波的應(yīng)力使巖石破裂，最后爆生氣體的膨脹使巖石裂紋擴(kuò)展，由此產(chǎn)生對應(yīng)的爆破區(qū)域劃分為壓碎區(qū)、破裂區(qū)、振動區(qū)。壓碎區(qū)半徑一般為3-7R，而破裂區(qū)半徑一般為8-150R，其中R為炮孔半徑。所以破裂區(qū)是工程巖體在爆破時產(chǎn)生破壞的主要部分，在這個區(qū)域中的巖體雖然沒有完全粉碎，但由于裂紋的出現(xiàn)已使其承載能力下降。在破裂區(qū)外圍的振動區(qū)在動應(yīng)力作用下雖然沒有產(chǎn)生明顯宏觀裂縫，但其巖石力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)產(chǎn)生一定的劣化。?

目前對爆破過程的研究尚不充分。研究一般基于連續(xù)介質(zhì)理論，其模擬研究難以實(shí)現(xiàn)爆破巖體的碎裂過程，也無法根據(jù)實(shí)際情況控制各破碎巖塊的狀態(tài)，更無法就細(xì)觀層面上的爆破過程進(jìn)行模擬。?

嘗試使用基于顆粒流的PFC3D(Particle?Flow?Code?in3Dimensions)作為爆破過程的模擬平臺，以海州礦某邊坡作為模擬對象，對不同高度，埋深和裝藥量的起爆點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)觀模擬。模擬了爆炸穩(wěn)定后邊坡形態(tài)并分析了其穩(wěn)定性。?

PFC3D是Itasca公司2008年發(fā)布的一款高端產(chǎn)品，特別適合于復(fù)雜機(jī)理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆粒的流動等大位移問題。在巖土體工程中可以用來研究結(jié)構(gòu)開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問題。?

顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)，可以彼此分離并且在計算過程中重新構(gòu)成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，可以通過調(diào)整顆粒單元直徑調(diào)節(jié)孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎(chǔ)，對模型顆粒進(jìn)行循環(huán)計算，采用顯式時步循環(huán)運(yùn)算規(guī)則。根據(jù)牛頓第二定律確定每個顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運(yùn)動(位置和速度)，力-位移定律是根據(jù)2個實(shí)體(顆粒與顆粒或顆粒與墻體)的相對運(yùn)動，計算彼此的接觸力。?

顆粒流理論基于以下假設(shè)：?

1)顆粒單元為剛性體；?

2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點(diǎn)接觸；?

3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；?

4)“重疊”量的大小與接觸力有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很小；?

5)接觸處有特殊的連接強(qiáng)度；?

6)顆粒單元為圓盤形.?

顆粒流理論的接觸本構(gòu)模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。?

離散體和連續(xù)體主要的區(qū)別在于，離散體之間可以承受壓力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；連續(xù)體可以承受壓力、拉力和力矩。使用PFC3D中接觸連接模型和并行連接模型可以滿足對連續(xù)體和非連續(xù)體混合共存條件下的模擬，只是參數(shù)設(shè)置不同，采用不同的接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond)對顆粒進(jìn)行設(shè)置，以模擬砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、砂巖層、煤層、泥巖和砂質(zhì)頁巖不同的拉、壓、剪的性質(zhì)。?

邊坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步驟，根據(jù)PFC3D用戶手冊PROBLEM?SOLVING?WITH?PFC^3D中的介紹，巖土問題數(shù)值分析的一般步驟如圖1所示。?

對于任意建模過程，具體來說包括：顆粒的生成、邊界條件和初始條件的設(shè)置、選擇接觸模型和材料屬性、加載，解算和模型修改、結(jié)果分析。國內(nèi)對于PFC3D建模研究不多，建立尾礦庫模型的顆粒流實(shí)際模型步驟，如圖2所示。?

發(fā)明內(nèi)容