CN108645299B - 基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，该分析方法包括以下步骤：S1，将初始试探值导入三维台阶爆破数值计算几何模型，获得计算振动曲线；S2，比较计算振动曲线与实测振动曲线的误差是否小于R％，S3，将步骤S2中得到的合适的岩石动力学参数代入三维台阶爆破数值计算几何模型，导出三维台阶爆破数值计算几何模型中各个节点三个方向爆破振动速度，通过历时法筛选出各个节点振动速度的最大值PPV；S4，计算临界振动速度PPV₀；S5，根据PPV与PPV₀的关系，计算爆破块度的大小S6，根据步骤S5计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。本发明可以考虑炸药性能、装药结构、岩体参数等诸多因素，比传统方法有着更高的预测精度，尤其是能够对细颗粒进行预测和分析。

Description

基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法

技术领域

本发明涉及一种砂石矿山、水利水电工程、交通等技术领域的一种岩石爆破块度分析方法，特别是涉及一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法。

背景技术

矿山、水利水电工程、交通等领域的岩体开挖广泛采用工程爆破技术。随着我国基础建设的不断发展，工程爆破技术应用越来越广泛，对爆破技术的要求也越来越高。爆破块度是评价爆破效果的最重要的指标之一，爆破块度直接影响了后续工序-铲装、运输、二次机械破碎等，直接影响了生产成本和工程效率。如何准确预测岩石爆破块度，对于优化开挖程序和爆破设计有着重要意义。

在工程实践中最广泛使用的爆破块度预测模型是Kus-Ram模型和Swebrec模型。这些传统的爆破块度预测模型都是一些经验模型，形式简单，参数单一，无法考虑装药结构、起爆方式、炮孔延时、临空面条件等因素，在实际工程应用时，往往有很大的误差。目前国际上已普遍认识到岩石破裂和质点振动速度之间存在密切关系，学者们也尝试建立爆破块度和质点振动速度之间的联系。现有的离散元软件计算效率低下，而且网格或颗粒的大小直接影响了计算结果，尤其是无法对细颗粒进行有效的预测。因此需要一种计算效率高，精度良好，可以预测细颗粒含量的爆破块度分析方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法。

本发明基于爆破振动质点振动速度的爆破块度高效预测方法，主要原理如下：

应变张量的分量与任何时刻t的相对位移有关，选择两个不共面的微小间距的附加点A(x_a,y_a,z_a)和B(x_b,y_b,z_b)，有如下方程,

如果PPV向量的方向余弦(n,m,l)是已知的，有以下独立方程：

以上方程(即三维台阶爆破数值计算几何模型)表明PPV与最大三维动态应变有关，d_T是波形的持续时间。上面的方程表明，PPV与两个相邻点之间最大可能的相对位移d_T有关。

爆炸荷载作用下，根据岩石强度准则，新形成的裂纹缺陷数量服从以下分布：

式中：P_n0和P₁都是岩石材料常数/参数；P_s是材料在荷载作用下的拉伸应力；P_n0是材料裂纹成核的临界压力。

将质点振动速度用PPV代替，令由可以得到基于爆破质点峰值振动速度的块度分布预测方法：

式中：x₀是岩体初始块度，由岩体初始节理确定。

根据岩石拉伸破坏的极限应变值反算临界振动速度PPV₀，在平面波条件下有：

PPV₀＝C_p[ε]

式中：PPV₀为允许的质点峰值振动速度，[ε]为极限应变。可见，质点峰值振动速度与岩体的动应变或动应力间存在对应关系。

块度分布云图中块度在之间的块度百分比可按下式计算：

式中：为破碎岩体的总体积，为块度尺寸在区间范围内的岩体的体积之和。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，该分析方法包括以下步骤：

S1，根据现场爆破试验参数，并通过有限元分析软件建立三维台阶爆破数值计算几何模型，引入一组假设的岩石动力学参数的初始试探值 为岩石材料参数，C_p为纵波速度，[ε]为岩石极限应变，η为材料常数；

将初始试探值导入三维台阶爆破数值计算几何模型，获得计算振动曲线；

S2，比较计算振动曲线与实测振动曲线的误差是否小于R％，R∈(0,100)的实数；在本实施方式中，优选R％为15％。

若计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％，则初始试探值即为合适的岩石动力学参数；执行步骤S3；

否则，不断地调整输入的岩石动力学参数，通过迭代运算和目标函数优化，直到计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％；执行步骤S3；

S3，将步骤S2中得到的合适的岩石动力学参数代入三维台阶爆破数值计算几何模型，导出三维台阶爆破数值计算几何模型中各个节点三个方向爆破振动速度，通过历时法筛选出各个节点振动速度的最大值PPV；

S4，计算临界振动速度PPV₀；

S5，根据PPV与PPV₀的关系，计算爆破块度的大小

S6，根据步骤S5计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤S6为：

获取三维台阶爆破数值计算几何模型中的节点坐标-块度文件，绘制爆破块度分布云图和块度级配曲线，在所述块度级配曲线上查找与步骤S5计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。

在本发明的一种优选实施方式中，爆破块度级配曲线的计算方法为：

其中，分别为级配区间的上下限，为块度尺寸在区间范围内的岩体的体积之和，为破碎岩体的总体积，j为级配曲线的区间分段数。

在本发明的一种优选实施方式中，临界振动速度PPV₀的计算方法为：

PPV₀＝C_p[ε]；

其中，C_p为纵波速度，[ε]为岩石极限应变。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S5中，爆破块度的计算方法为：

若PPV＞PPV₀，则计算

其中，x₀为岩体初始块度，exp为是以自然常数e为底的指数函数，为岩石材料参数，η为材料常数；

若PPV≤PPV₀，则计算

在本发明的一种优选实施方式中，现场爆破振动监测的监测点数目不少于3个。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：(1)可以考虑炸药性能、装药结构、岩体参数等诸多因素，比传统方法有着更高的预测精度，尤其是能够对细颗粒进行预测和分析。

(2)本发明提出的方法的计算公式简洁，更易于计算和编程植入数值分析软件，且不受计算网格大小的限制。

附图说明

图1是本发明基于质点振动速度的爆破块度计算方法的流程示意图。

图2是本发明爆破振动监测与岩体动力参数反演示意图。

图3是本发明建立三维台阶爆破数值计算几何模型。

图4中(a)是本发明计算振动曲线和第一实测振动曲线的对比示意图；

(b)是本发明计算振动曲线和第二实测振动曲线的对比示意图；

(c)是本发明计算振动曲线和第三实测振动曲线的对比示意图。

图5是本发明爆破块度分布云图。

图6是本发明爆破块度级配曲线。

附图标记：E₁，E₂，……，E_m——第1，2，……，m次爆破爆源(m≥1)；M₁，M₂，……，M_n——第1,2，……，n个爆破振动监测点(n≥3)；1——三维台阶爆破数值计算几何模型中的炮孔；2——三维台阶爆破数值计算几何模型；3——实测振动曲线；4——计算振动曲线；5——爆破块度分布云图的图例；6——三维台阶爆破数值计算几何模型中的横截面线；7——爆破块度分布云图纵截面；8——爆破块度分布云图横截面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。

本发明提供了一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，如图1所示，该分析方法包括以下步骤：

第一步，根据现场爆破试验参数，并通过有限元分析软件建立三维台阶爆破数值计算几何模型，引入一组假设的岩石动力学参数的初始试探值为岩石材料参数，C_p为纵波速度，[ε]为岩石极限应变，η为材料常数；在本实施方式中，有限元分析软件可以是lsdyna、Autodyn、ABAUQS等。

将初始试探值导入三维台阶爆破数值计算几何模型，获得计算振动曲线；

第二步，比较计算振动曲线与实测振动曲线的误差是否小于R％，R∈(0,100)的实数；

若计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％，则初始试探值即为合适的岩石动力学参数；执行步骤S3；

否则，不断地调整输入的岩石动力学参数，通过迭代运算和目标函数优化，直到计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％；执行步骤S3；在本实施方式中，迭代运算和目标函数优化采用的方法为牛顿迭代法和模糊算法的目标函数优化方法。

第三步，将第二步中得到的合适的岩石动力学参数代入三维台阶爆破数值计算几何模型，导出三维台阶爆破数值计算几何模型中各个节点三个方向爆破振动速度，通过历时法筛选出各个节点振动速度的最大值PPV；

第四步，计算临界振动速度PPV₀；临界振动速度PPV₀的计算方法为：

PPV₀＝C_p[ε]。

第五步，根据PPV与PPV₀的关系，计算爆破块度的大小其中，爆破块度的计算方法为：

若PPV＞PPV₀，则计算

其中，x₀为岩体初始块度，为岩石材料参数，η为材料常数，exp是以自然常数e为底的指数函数，例如exp(q+w)＝e^q+w，exp(q)＝e^q；

若PPV≤PPV₀，则计算

第六步，根据第五步计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。

在本实施方式中，第六步还可以为，获取三维台阶爆破数值计算几何模型中的节点坐标-块度文件，绘制爆破块度分布云图和块度级配曲线，在所述块度级配曲线上查找与第五步计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。在本实施方式中，采用Surfer或Tecplot等三维数据可视化软件绘制爆破块度分布云图。

其中，爆破块度级配曲线的计算方法为：

分别为级配区间的上下限，为块度尺寸在区间范围内的岩体的体积之和，为破碎岩体的总体积，j为级配曲线的区间分段数，工程上通常取5～10之间的整数。表示爆破块度在级配区间之间的岩体所占百分比。

在本发明的一种优选实施方式中，现场爆破振动监测的监测点数目不少于3个。

下面结合具体实施例，对本发明进行进一步说明，具体包括如下：

某石英砂岩料场进行爆破开采，现场爆破试验参数：岩石单轴抗压强度为42Mpa～65Mpa。钻孔直径90mm，孔深10m，间距4.5m，排距3.8m，堵塞长度3m。

(1)岩体动力学参数反演。根据现场爆破试验参数，建立三维台阶爆破数值计算几何模型，如图3所示。首先通过现场爆破振动监测，获取3组测点的实测振动数据，如图2所示，引入一组假设的岩石动力学参数的初始试探值导入三维爆破模型，比较数值计算振动值和实测值的误差是否在允许的范围内，若计算振动曲线和实测振动曲线吻合，则该组值即为合适的岩石动力学参数，否则不断地调整输入的岩石动力学参数，通过迭代运算和目标函数优化，直到计算振动曲线和实测振动曲线的误差小于15％，如图4所示，通过反演得到，岩石材料参数纵波速度C_p＝4000m/s，岩石极限应变为[ε]＝0.00025，材料常数η＝0.5。

(2)质点峰值振动速度筛选。采用上一步反演得到的岩石动力学参数，代入三维数值模型计算，然后导出模型各个节点三个方向爆破振动速度，通过历时法筛选出各个节点振动速度的最大值PPV。

(3)计算各个节点所在部位的块度大小。根据岩石拉伸破坏的极限应变值反求临界振动速度PPV₀＝C_p[ε]＝4000m/s×0.00025＝1.0m/s。然后判别PPV与PPV₀的大小，若PPV＞PPV₀，则带入公式计算；若PPV≤PPV₀，则带入公式计算，其中由岩体原始节理条件，取初始块度x₀＝4m。

(4)绘制爆破块度分布云图和块度级配曲线。将坐标-块度文件导入数据分析软件，如Surfer等，按照规定的级配等级绘制爆破块度分布云图，如图5所示。采用公式计算块度在之间的岩体所占百分比，绘制级配曲线，如图6所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据现场爆破试验参数，建立三维台阶爆破数值计算几何模型，引入一组假设的岩石动力学参数的初始试探值 为岩石材料参数，C_p为纵波速度，[ε]为岩石极限应变，η为材料常数；

将初始试探值导入三维台阶爆破数值计算几何模型，获得计算振动曲线；

S2，比较计算振动曲线与实测振动曲线的误差是否小于R％，R∈(0,100)的实数；

若计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％，则初始试探值即为合适的岩石动力学参数；执行步骤S3；

否则，不断地调整输入的岩石动力学参数，通过迭代运算和目标函数优化，直到计算振动曲线与实测振动曲线的误差小于R％；执行步骤S3；

S3，将步骤S2中得到的合适的岩石动力学参数代入三维台阶爆破数值计算几何模型，导出三维台阶爆破数值计算几何模型中各个节点的质点振动速度在三个方向上的分量，通过历时法筛选出各个节点的质点振动速度的最大值PPV；

S4，计算临界振动速度PPV₀；

S5，根据PPV与PPV₀的关系，计算爆破块度的大小

S6，根据步骤S5计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。

2.根据权利要求1所述的基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，步骤S6为：

获取三维台阶爆破数值计算几何模型中的节点坐标-块度文件，绘制爆破块度分布云图和块度级配曲线，在所述块度级配曲线上查找与步骤S5计算的爆破块度对应的岩石动力学参数实施爆破。

3.根据权利要求2所述的基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，爆破块度级配曲线的计算方法为：

其中，分别为级配区间的上下限，为块度尺寸在区间范围内的岩体的体积之和，为破碎岩体的总体积，j为级配曲线的区间分段数；表示爆破块度在级配区间之间的岩体所占百分比。

4.根据权利要求1所述的基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，临界振动速度PPV₀的计算方法为：

PPV₀＝C_p[ε]；

其中，C_p为纵波速度，[ε]为岩石极限应变。

5.根据权利要求1所述的基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，在步骤S5中，爆破块度的计算方法为：

若PPV＞PPV₀，则计算

其中，x₀为岩体初始块度，exp是以自然常数e为底的指数函数，为岩石材料参数，η为材料常数；

若PPV≤PPV₀，则计算

6.根据权利要求1所述的基于质点振动速度的岩石爆破块度分析方法，其特征在于，现场爆破振动监测的监测点数目不少于3个。