CN104239637A - 一种离散元爆堆形态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离散元爆堆形态模拟方法，包括步骤：步骤1，将完整岩体的体积模量和剪切模量分别赋给人工节理的法向刚度和和切向刚度；步骤2，针对完整岩体模型，采用Harries爆破模型预测距炮孔中心不同距离处各点的预测爆破块度；步骤3，将完整岩体模型划分区域，以各区域中所有点的预测爆破块度的平均值为该区域离散块的预设块度；步骤4，根据各区域离散块的预设块度设置人工节理，并将人工节理设为倾斜正交，采用离散元法对完整岩体模型进行离散；步骤5，采用离散元法对离散后的完整岩体模型进行爆堆形态模拟。本发明方法操作简单，可显著提高爆堆形态模拟的效率和精准度，更符合工程实际，应用前景广阔。

Description

一种离散元爆堆形态模拟方法

技术领域

本发明属于岩土工程中爆破数值模拟技术领域，尤其涉及一种离散元爆堆形态模拟方法。

背景技术

目前，工程爆破中爆堆形态模拟是爆破数值模拟中最重要的研究课题之一。随着计算机仿真技术发展，适用于离散元的数值模拟方法逐渐成为研究爆破的有力工具。离散元将不连续面看作离散块的边界条件，可以模拟大变形，允许离散块间的相对运动，并且不需要满足位移连续和变形协调条件，非常适用于爆堆形态模拟。

模拟爆堆形成过程时，需要将完整岩体预先离散为数目众多的离散块。所以，确定离散块的块度是爆堆形态模拟的基础。传统的离散元爆堆形态模拟方法中是将岩体模型离散为大小均匀的离散块，而离散块的预设块度的取值依靠经验或重复试验确定。因此，传统离散元爆堆形态模拟方法无法体现爆破本质，不仅工作量大，而且爆堆形态模拟的准确性也不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种更客观、更高效的离散元爆堆形态模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种离散元爆堆形态模拟方法，包括步骤：

步骤1，将完整岩体的体积模量和剪切模量分别赋给人工节理的法向刚度和和切向刚度；

步骤2，针对完整岩体模型，采用Harries爆破模型预测距炮孔中心不同距离处各点的预测爆破块度；

步骤3，将完整岩体模型划分区域，以各区域中所有点的预测爆破块度的平均值为该区域离散块的预设块度；

步骤4，根据各区域离散块的预设块度设置人工节理，并将人工节理设为倾斜正交，采用离散元法对完整岩体模型进行离散；

步骤5，采用离散元法对离散后的完整岩体模型进行爆堆形态模拟。

上述步骤2进一步包括子步骤：

2.1根据岩体属性和炸药属性，采用Harries爆破模型获得炮孔壁上应变K；

2.2根据炮孔壁上应变K，采用Harries爆破模型获得距炮孔中心不同距离处任意点的切应变ε；

2.3根据任意点切应变ε和岩体的动态极限抗拉应变T，采用Harries爆破模型获得爆破后距炮孔中心不同距离处的径向裂缝条数N；

2.4以距炮孔中心R处的相邻径向裂缝间距离为距炮孔中心距离R处各点的预测爆破块度L。

作为优选方案，将步骤4获得的模拟结果与实际获得的爆堆形状和爆破块度进行对比，并根据对比结果调整完整岩体模型划分的区域数量。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)基于岩石爆破的内在机理预设离散块的块度，相比传统方法更客观、更符合工程实际，能显著提高爆堆形态模拟的精准度。

(2)采用本发明方法获得的离散块数量更少，仅有传统方法获得的离散块数量的一半，因此，可大幅减少模拟的运算时间和资源占有，显著提高爆堆形态模拟效率，应用前景广阔。

(3)操作简单，采用Excel即可实现本发明，可有效减少工作量。

附图说明

图1为本发明方法的具体流程图；

图2为具体实施方式中完整岩体模型示意图；

图3为具体实施方式中完整岩体模型划分区域示意图；

图4为具体实施方式中完整岩体模型的离散结果示意图。

具体实施方式

本发明首先将完整岩体的力学参数值赋给人工节理的力学参数，保证人工离散化不影响岩体的力学性质；然后，根据哈里斯爆破理论计算岩体模型各处的预测爆破块度；依照数值计算需要将模型分区，以各区内的平均爆破块度作为离散块体的块度；最后，可根据爆堆模拟的结果来修正预设块度或模型分区。

本发明具体流程图见图1，下面将结合图1进一步说明本发明方法步骤。

步骤1，在离散元程序中为人工节理的力学参数赋值，将完整岩体的力学参数值赋给人工节理的力学参数，例如，将完整岩体的体积模量和剪切模量分别赋给人工节理的法向刚度和和切向刚度，以保证人工离散化不影响岩体的力学性质。完整岩体的力学参数值指爆破模拟参数，根据工程资料获得。

步骤2，基于Harries爆破模型(哈里斯爆破模型)预测离散块的块度。

本发明将预测爆破块度作为离散完整岩体模型的根据，针对完整岩体模型采用Harries爆破模型预测距离炮孔中心R处的爆破块度，具体如下：

(1)计算炮孔壁上应变K为：

$K=\frac{(1-\mathrm{\μ})P_0}{2(1-2\mathrm{\μ})\mathrm{\ρ}{v_p}^2+3(1-\mathrm{\μ})\mathrm{\γ}{P}_0}---\left(1\right)$

式(1)中，μ是岩体泊松比，属于岩体力学参数，根据工程资料获得；P₀表示炮孔壁上爆压，可通过计算获得，本具体实施中采用C-J爆轰理论计算炮孔壁上爆压P₀；ρ为岩体密度；v_p为岩体纵波声速，纵波声速为岩体自身属性，根据工程资料获得；γ为炸药的等熵指数，可根据炸药出厂参数计算获得。

(2)计算爆破时距炮孔中心R处任意点上的切应变ε。

爆破时，爆破应力波的传播使得与炮孔轴线垂直的平面内岩体质点产生径向位移，在半径为r的球形装药上，距炮孔中心R处任意点上的切应变ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{K}{R/r}{e}^{-\frac{\mathrm{\βR}}{r}}---\left(2\right)$

式(2)中，K为炮孔壁上应变；β为应变波吸收系数，根据实验资料或工程资料获得；r为炮孔装药半径。

(3)计算爆破后距炮孔中心R处的径向裂缝条数N。

爆破应力波作用下岩体作径向位移，当由径向位移衍生的切应变ε超过岩体的动态极限抗拉应变T时，岩石形成径向裂缝，动态极限抗拉应变T为岩体自身属性，根据工程资料获得。距炮孔中心R处的径向裂缝条数N为：

$N=\frac{\mathrm{\ϵ}}{T}---\left(3\right)$

(4)以距炮孔中R处的相邻径向裂缝间距离为距炮孔中R处各点的预测爆破块度L：

$L=\frac{2\mathrm{\πR}}{N}---\left(4\right)$

步骤3，将完整岩体模型划分为n个区域，各区域的离散块预设块度采用预测爆破块度的平均值。

完整岩体模型区域的划分根据使用者的具体需求进行，一般划分为矩形区域，见图3。区域数量越多则爆破模拟准确度越高，但同时会增加运算时间及运算量。本具体实施中将完整岩体模型划分为6～10个区域。

对于区域i，其面积为A_i，则区域i内的预设离散块度：

$Z_i=\frac{\∫{\mathrm{LdA}}_i}{A_i}---\left(5\right)$

式(5)中，∫LdA_i表示区域i中各点的预测爆破块度之和。

步骤4，根据离散块的预设块度设置人工节理，并对完整岩体模型进行预离散，，预离散后的完整岩体模型见图4。

本发明中人工节理设为倾斜正交，即节理倾角设置为±45°。

步骤5，采用离散元法对预离散后的完整岩体模型进行爆堆形态模拟，将模拟结果与实际获得的爆堆形状和爆破块度进行对比，并根据对比结果调整完整岩体模型划分区域的数量。若模拟结果和实际情况相差较大，则增加完整岩体模型划分区域数量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种离散元爆堆形态模拟方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将完整岩体的体积模量和剪切模量分别赋给人工节理的法向刚度和和切向刚度；

步骤2，针对完整岩体模型，采用Harries爆破模型预测距炮孔中心不同距离处各点的预测爆破块度；

步骤3，将完整岩体模型划分区域，以各区域中所有点的预测爆破块度的平均值为该区域离散块的预设块度；

步骤4，根据各区域离散块的预设块度设置人工节理，并将人工节理设为倾斜正交，采用离散元法对完整岩体模型进行离散；

步骤5，采用离散元法对离散后的完整岩体模型进行爆堆形态模拟。

2.如权利要求1所述的离散元爆堆形态模拟方法，其特征在于：

步骤2进一步包括子步骤：

2.1根据岩体属性和炸药属性，采用Harries爆破模型获得炮孔壁上应变K；

2.2根据炮孔壁上应变K，采用Harries爆破模型获得距炮孔中心不同距离处任意点的切应变ε；

2.3根据任意点切应变ε和岩体的动态极限抗拉应变T，采用Harries爆破模型获得爆破后距炮孔中心不同距离处的径向裂缝条数N；

2.4以距炮孔中心R处的相邻径向裂缝间距离为距炮孔中心距离R处各点的预测爆破块度L。

3.如权利要求1所述的离散元爆堆形态模拟方法，其特征在于，还包括：

将步骤4获得的模拟结果与实际获得的爆堆形状和爆破块度进行对比，并根据对比结果调整完整岩体模型划分的区域数量。