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解讀巖石爆破破碎機理研究分析

2015-12-17來源:環球破碎機網

  巖石爆破的破碎效應是影響交通土建、水利、礦山等工程效益的重要指標,它影響到生產過程中的鏟裝、運輸和粗碎等工序的效率和成本,也影響到道路、堤壩等基礎工程的滲透性、沉降性和穩定性。因此,巖石爆破破碎理論的研究一直是巖石動力學和巖石爆破研究領域的一個熱點問題,研究并揭示爆破作用下巖石破碎機理對促進爆破理論和相關技術的發展、提高工程質量和效益具有十分重要的理論和實際意義。

  國內外學者進行的大量研究指出:裂隙巖石的破碎是由爆炸沖擊波與爆生氣體共同作用的結果,但與均勻介質材料爆破相比,巖體的破碎主要是爆炸應力波作用的結果,裂隙巖體的爆炸氣體膨脹壓力較小,只是當應力波將巖石破碎成塊以后,起到促使碎塊分離的作用;應力波在裂隙巖體的傳播過程中,在裂隙之間傳播的擾動將會產生新的破裂;由于裂隙的發展速度有限,爆炸載荷的速率對裂隙的成長有較大的作用,而高應變率載荷容易產生較多的裂隙。
  在此基礎之上,當前的相關研究主要在兩方面展開,一是追求普遍適用于各種爆破計算和分析、旨在建立相關計算模型的理論研究;一是結合一定工程實踐,適用于一定范圍的具體工程設計和參數優化的實驗研究。在理論研究方面,從巖石破碎研究的發展歷程來看,可將其分為彈性理論階段、斷裂理論階段、損傷理論階段和分形損傷理論4個階段。
  彈性力學模型將巖石視為各向同性的均質、連續的彈性體,巖石在爆炸荷載作用下的破壞是因其內部最大應力超過巖石應力極限引起的。在破碎之前,巖石處于彈性狀態。這種理便的簡化工程問題、建立力學模型并加以分析計算。由于這種理論模型不考慮巖石的材料缺陷,其理論基礎與實際情況有一定的差距。
  斷裂力學模型認為巖石中的裂紋擴展及斷裂破壞是影響巖石爆破破碎效果的主要因素。與彈性模型不同的是該類模型將巖石視為含有微裂紋的脆性材料,巖石的破化過程就是其內部裂紋產生、擴展和斷裂的過程。但斷裂力學模型仍將裂紋周圍看作是均勻的連續介質,因而其僅適用于宏觀裂紋形成之后的斷裂階段,對材料開始劣化到宏觀裂紋形成之間的力學行為和物理過程并未進行分析描述,其適用范圍只限于宏觀裂紋已形成的有層理或沉積類巖石。
  行巖石爆破損傷模型的研究,他們認為巖石中存在著大量隨機分布的原生裂紋,在爆破作用下部分原生裂紋將被激活并發生擴展,激活的裂紋數服從指數分布。他們運用損傷因子D表示這些巖石裂紋開裂及損傷程度。經過Seamen、Grady、Kipp、Kus等人的努力,最后,由Throne進一步完善建立了一個能夠模擬脆性巖石動態破碎過程的二維數值計算模型,并在油頁巖爆破實踐中得到檢驗。這些模型采用裂紋激活的假設來描述損傷的產生和發展,并認為材料在體積拉伸狀態下存在累積損傷、材料剛度發生劣化,而在壓縮狀態下采用了未考慮損傷的理想彈塑性本構模型,因此,其合理程度尚需進一步研究;同時假定裂紋密度與應變服從Weibull分布,但決定裂紋密度分布的兩個材料參數k,m難以確定,因而其應用受到限制。
  國內有關巖石損傷理論的研究發展于上世紀八十年代,主要是在以Grady等的理論基礎上進行模型修正、針對一些具體問題進行計算分析,對一些新的計算方法進行了討論研究。
  損傷力學模型認為巖石在爆破作用下的破碎是由于巖石原有損傷激活、發展的結果,對斷裂力學模型而言又進了一步。
  但該理論仍然有一些問題,除了計算困難外,還主要存在如下缺點:首先,用裂紋密度方法解決損傷因子的確定問題。在模型中采取裂紋激活假設,忽視了巖石中原有存在的裂隙、孔洞等天然損傷對爆破作用的直接影響。而沖擊載荷作用于含有初始損傷的巖石,將產生兩種效應:一是材料剛度的劣化;二是應力波能量的耗散。這就反映了初始損傷的存在有利于巖石動態損傷的演化、發展(提供裂紋源),同時,巖石中的顆粒界面、節理、層理等不連續面,作為一種“量屏障”(耗散能量起屏障作用),使得擴展裂紋常終止于此,只有當更多的能量提供給介質時,才有可能產生新的裂紋。現有損傷模型僅考慮了損傷的發展引起巖石等效模量的降低,而沒有考慮損傷的演化導致能量的耗散等因素,從而導致了數值模擬計算時出現局部與實際不相符的現象。事實上,當應變率越高時,微裂紋擴展的應力降低區越小,被激活的裂紋數越多,亦即介質的損傷程度越高,沖擊波能量的耗散也越大。因此,建立巖石動態損傷模型,應考慮伴隨損傷演化過程的能量耗散問題。其次,未考慮爆生氣體對巖石的損傷和破壞作用,實際情況中,爆炸應力波對巖石形成的微損傷在爆生氣體的作用下會進一步發展,因此爆生氣體對巖石的損傷和破壞不容忽視。損傷力學模型適用于各類巖石,相對于彈性模型和斷裂模型,在模擬巖石性質方面更加合理且接近實際,盡管還存在一些問題,但在巖石爆破理論研究中仍被廣泛接受和采用。
  分形損傷理論階段有指出,巖體的各種斷裂構造,無論是斷層還是節理以及微裂隙,其分布狀態或幾何形狀在一定的測度范圍內均有較好的統計自相似性,可用分形維數來描述其形狀的復雜程度,并且在相同的測度變化比例條件下,不同規模的斷裂之間能用分維值來定量對比分析,用分形維數來描述比傳統的用傾角、傾向、走向等參數來描述更方便,且更具全息性,而且簡單明了,還具有易于代入數學方程來構造新的數學模型的優點。介于此,有學者將分形幾何的概念引入巖石的動態特性研究中,利用分形理論提出一種新的巖石爆破模型。該類模型將巖體中的各種結構弱面視為初始損傷,以分形維數作為巖石性質的主要參量,并將損傷和分形納入熱力學框架,從而克服了以往模型中未考慮初始損傷和將損傷演化歸結為體積應變函數的不足。目前,廣為大家所接受的爆破理論關系模型主要就是損傷模型和分形損傷模型。
  分形損傷理論模型將分形幾何的概念引入損傷理論模型中,使節理、裂隙等宏觀弱面能以分形維數的形式在爆破模型中得以體現,不僅考慮巖石原始損傷的影響,還與損傷演化過程的能量耗散聯系起來,而且利用分形維數與破碎塊度的關系能夠實現爆破塊度預報。然而有關巖石內部的分形維數計算還不成熟,損傷過程的分形與能量耗散的有關試驗參數也不易獲得,使得該模型的應用范圍受到了很大限制。但隨著研究的進一步深入,該模型將會得到更廣泛的應用。
  在實驗研究方面,國內外主要是針對具體的工程問題運用超聲波等技術進行測試巖體在爆炸等沖擊荷載作用下的損傷程度,力圖建立相關的巖石破壞規律,從而為相關的后續工作做出指導。主要表現在:史瑾瑾等利用一級輕氣炮對巖石試件進行沖擊損傷實驗,采用軟回收裝置回收樣品,并用篩分法確定沖擊試驗后巖破碎塊度組成,分析不同動荷載下巖石的不同塊度分布,建立動荷載下巖石破碎塊度的分布規律,該實驗方法對相應的爆破設計有一定的指導作用。
  林大能等為研究巖石循環沖擊荷載作用下損傷的圍壓效應,對大理巖試件在壓力試驗機上進行模擬沖擊加載,測試受沖擊后試件軸向超聲波波速,用超聲波波速變化量描述試件的損傷度。分析了圍壓、荷載沖量大小、沖擊次數對巖石損傷演化的影響,得出了大理巖在不同圍壓下沖擊損傷與沖擊次數的函數關系,分析了大理巖巖樣循環沖擊損傷的圍壓效應。結果表明:巖石循環沖擊損傷具有明顯的圍壓效應,圍壓的存在提高了巖石抗沖擊破壞的能力。從試驗角度證明了在深部礦井中高地應力的存在對鉆孔的鉆進效率和處于初始應力場中的巖石的爆破破碎效率有重要影響。
  楊軍、高文學、金乾件等探索巖石動態損傷參量及其演化表征方式以構造巖石爆破損傷模型。通過巖石沖擊損傷實驗。對沖擊前后試件進行超聲波測試,得出巖石動態損傷與超聲波衰減規律的關系。在考慮巖石沖擊損傷過程的聲波衰減規律及其與能量耗散率關系的基礎上,建立新的巖石爆破損傷模型。通過實驗驗證該模型的計算結果并實現了巖石臺階爆破數值計算。
  現今的實驗研究雖然是針對于具體的實際問題,但其實驗結果如果能夠和相關理論相結合的話,對揭示巖體的爆破破碎機理還是有很大的幫助。
  (二)發展趨勢為了揭示節理巖體爆破破碎的本質,人們采用了多種手段和方法來進行研究,其中計算機模擬因其特殊優勢而日益受到關注,計算機模擬巖體爆破的關鍵是建立合適的爆破理論。巖石爆破的損傷力學理論及分形理論被認為代表了巖石爆破的最新方向,因此巖石爆破理論的發展應以此為基礎進行完善拓展。從實際應用效果來看,現有爆破理論模型都存在著許多不足之處,都需要進一步地改進和完善。對現有爆破模型的改進也是爆破理論研究的一個方向。爆破作用下巖石的力學響應特征通常與空隙、顆粒、基質裂紋等細觀尺度的基本要素相聯系。
  巖石的初始損傷在很大程度上控制著巖石的破碎過程,必須充分考慮初始損傷對損傷演化過程的影響,而這正是當前很多爆破模型所忽略的。如何恰如其分地將初始損傷引入巖石爆破理破作用下巖石的破碎是爆炸波和爆生氣體共(下轉第63頁)處理類似的意外,重新處理終端新的連接,進行正確的數據解析。
  需要給GPRS數據傳輸終端發送特別命令時,通過該模塊進行。譬如,服務器的IP地址變動、對終端的遠端復位等。
  (四)軟件實現方法為了簡化軟件設計的復雜性,避免重復的開發工作,可以采取開發動態連接庫或ActiveX控件的方法,兩者的實質都是Windows的動態連接庫DLL文件。動態連接庫用VB6.0編寫,包含以下主要函數:(五)結束語基于GPRS網絡的遠程監控系統,在工業控制領域得到廣泛的應用。它使人們從煩瑣的人工操作中解脫出來,集中精力對現場數據進行更細致的分析和處理。如何建立通信系統,取得原始的數據,是系統建立的基礎。本文提出了GPRS通信軟件設計的基本思想,解決了軟件設計中的幾個步驟,其中用動態連接庫建立通信程序的方法,在熱網管理系統、電力抄表系統等多個遠程監測系統中得到重復應用。

文關鍵詞:

破碎機 破碎

責任編輯:宋欣
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