高地应力矿柱受爆破扰动的动态响应研究

摘要

随着浅部矿物资源的日益减少，国内外诸多矿山都纷纷进入深部开采。近几十年来，国内外学者针对高地应力岩体和深部采场稳定性的理论研究做了大量深入的工作。但人们在做相关研究时很少考虑岩石在承受初始高应力时的动力特征;另外由于高地应力岩体的特殊性及复杂性，对于高地应力环境下的岩体力学行为，采用何种力学本构模型进行理论分析以及数值模拟时该模型如何描述岩体力学行为，爆破震动作用下的动态响应有何差异都是颇具挑战性的课题。鉴于此，本文选取ANSYS模拟软件建立合适的数值模型，对爆炸荷载作用高地应力矿柱的破坏机理及破坏特性进行研究，获取矿柱在动静组合荷载作用下的动力响应特征及损伤特性。得到的如下结论:
　　 (1)对于只承受垂直矿柱顶部上覆岩层重力（垂直于矿柱顶部的静荷载）的高地应力矿柱，应力和位移从矿柱顶部至底部逐渐增大，没有跳跃，最小值均出现在顶部，最大值均出现在底部;黏聚力与产生的位移和位移变化幅度成反比。
　　 (2)对于承受垂直于矿柱顶部的动静组合荷载的高地应力矿柱，在弹性阶段，组合荷载增大了矿柱岩体承受荷载的能力，黏聚力与承受能力呈正比，与矿柱内部应力变化幅度呈反比;相较于静荷载的变化（埋藏深度的变化）而言，爆破扰动峰值的变化是影响矿柱稳定性的主要因素。
　　 (3)对于承受垂直于矿柱顶部的动静组合荷载的高地应力矿柱，在塑性阶段，建立爆破扰动峰值与黏聚力的表达式来衡量矿柱是否进入屈服极限。
　　 (4)矿柱受爆破震动时，其迎爆面上部区域出现应力集中现象，其背爆面上部区域的震动速度最大。
　　 (5)矿柱与炮孔的垂直距离和炮孔深度与矿柱内部的应力没有明显的线性关系，当垂直距离为10m时，矿柱内部最大应力值为75.074MPa，最大位移值0.028203m，最大速度极值为2.2262cm/s;当孔深为12m时，矿柱内部最大应力值为75.452MPa。炮孔深度与矿柱位移呈正比，当炮孔深度为15m时，矿柱产生最大位移值为0.031607m。在炮孔深度为9m时最大速度极值为2.5059cm/s。
　　 (6)矿柱的埋藏深度与内部最大应力值呈正比，埋藏深度为1121m时应力最大值为75.334MPa。埋藏深度与位移呈反比，埋深为721m时位移最大值为0.031607m。在埋藏深度为721m时最大速度极值2.2262cm/s。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题依据及重要意义

1．2 国内外相关的研究现状

1．2．1 深部高地应力下岩体特性和采场稳定性研究

1．2．2 爆破震动对矿柱稳定性影响研究

1．3 研究目标和研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

第2章 爆破地震效应和高地应力岩体

2．1 爆破地震波的产生机理与类型

2．1．1 体波

2．1．2 面波

2．1．3 爆破地震波的传播规律、折射反射规律和衰减规律

2．1．4 常用的爆破荷载模型

2．2 高地应力岩体

2．2．1 高地应力岩体特点

2．2．2 深部岩石力学行为特性

2．2．3 高地应力下岩石静力破坏机理

2．2．4 高地应力下岩石动力破坏机理

2．3 本章小结

第3章 ANSYS及相关原理介绍

3．1 ANSYS简介

3．2 有限元原理

3．2．1 有限元动力分析原理

3．2．2 ANSYS有限元动力分析特征

3．2．3 屈服准则的选取

3．2．4 有限元显式和隐式计算

3．3 本章小结

第4章 矿柱受动静组合荷载的数值模拟

4．1 高应力矿柱受动力扰动的力学模型

4．1．1 矿柱受动静荷载下的力学模型

4．1．2 矿柱受动静结合荷载下的力学模型

4．2 高应力矿柱动力扰动的数值模拟

4．2．1 矿柱在受不同静载(不同埋深)下的数值模拟

4．2．2 分析类型及加载荷载的方法的选取

4．2．3 动静荷载结合加载模拟结果

4．3 本章小结

第5章 矿柱受爆破扰动的数值模拟

5．1 模型材料及模型参数

5．1．1 岩石材料

5．1．2 空气材料及相关状态方程

5．1．3 炸药材料及相关状态方程

5．1．4 矿柱受爆破扰动模型及边界条件

5．2 矿柱受爆破扰动的数值模拟结果

5．2．1 矿柱距炮孔不同垂直距离时受爆破扰动的数值模拟

5．2．2 不同埋藏深度矿柱受爆破扰动的数值模拟

5．2．3 不同炮孔深度时矿柱受爆破扰动的数值模拟

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表的论文