CN115639057A - 岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法 - Google Patents

岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法 Download PDF

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CN115639057A CN202211259536.6A CN202211259536A CN115639057A CN 115639057 A CN115639057 A CN 115639057A CN 202211259536 A CN202211259536 A CN 202211259536A CN 115639057 A CN115639057 A CN 115639057A
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林柏泉
林明华
沈扬
杨威
刘厅
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Abstract

本发明公开了一种岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法，包括如下步骤：爆破装置对待测岩石进行引爆，通过高速采集仪获取监测点的应变曲线；根据待测岩石的宏观力学性质标定离散元数值软件所需要的岩石微观参数，并建立与实验室试验等大的岩石数值试件；将爆破等效加载应力峰值、应力加载时间以及卸载时间等迭代初值，带入岩石爆破数值模型，计算模型中监测点的应变曲线。由模型测得曲线与实测曲线的误差，调整应力峰值和时间。最终，当误差小于一定值时，从而确定岩体爆破等效加载应力加载曲线。本发明克服了岩石爆破损伤而造成的弹性反演失真问题；不仅实现了爆破加载应力峰值的准确计算，还可对爆破加载应力路径的全过程进行反演。

Description

岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法
技术领域
本发明属于工程爆破技术领域，更具体地说，涉及一种岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法。
背景技术
爆破技术因其施工效率高、广泛地应用于土建工程、矿山开掘领域。现今对于爆破的可控性和安全性要求越来越高，因此需要对爆破工程中的装药量进行控制。为合理地控制炸药量，需要对爆破应力波进行测算，使得既能够满足爆破施工要求，又可以最大程度地减小爆破振动。
爆破等效应力加载曲线是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。目前，普遍采用试验法以及理论法对爆破等效加载应力进行反演。在试验法方面，由于爆破荷载较大，被爆介质与传感器极易损坏，直接测量孔壁压力峰值十分困难。而远场安设应力传感器时，钻孔近区受爆破影响发生严重的塑性变形及破坏，爆破能量产生一定的损失，导致基于弹性理论的远场应力计算近场应力的方法失效。在理论方面，由于爆轰波的传播过程、爆生气体动力膨胀作用均十分复杂，导致采用理论方法建立一个数学模型计算爆破等效加载应力十分困难。
因此，设计一种在测试过程中对实验设备损伤较小，且能够精确获得爆破等效加载应力曲线，对确定爆破装药量，计算岩体损伤范围具有重要意义。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法，包括如下步骤：
S1、对待测岩石进行力学实验确定岩石宏观力学参数，并将待测岩石制取成爆破试验所需尺寸。随后，在待测岩石表面距钻孔一定距离设置切向与径向应变监测点，记录监测点与炮孔中心的位置关系。
S2、试验测量爆炸引起监测点的径向
Figure BDA0003890607460000011
与切向
Figure BDA0003890607460000012
应变随时间的变化曲线，并按照下式计算初始爆炸等效加载应力，并记录径向应变随时间变化的最大值
Figure BDA0003890607460000013
加载时间
Figure BDA0003890607460000014
以及卸载时间
Figure BDA0003890607460000015
Figure BDA0003890607460000016
S3、基于宏观力学实验结果标定离散元软件PFC计算所需要的微观参数；同时，构建与实验室试验等大的岩石数值模型。
S4、将上述确定的初始爆炸等效加载应力曲线与下式进行匹配，以确定迭代初值。即，最大应力P0、应力加载时间t0、应力卸载时间t1。
P＝P0ξ(e-αt-e-βt) (2)
其中：
Figure BDA0003890607460000021
S5、在岩石模型中对炮孔表面的单元，施加按照公式(2)定义的应力加载曲线。待模型计算结束后，获取距离炮孔同一位置处的径向应变与时间的函数关系
Figure BDA0003890607460000022
提取函数中的最大应变
Figure BDA0003890607460000023
和加载时间
Figure BDA0003890607460000024
和卸载时间
Figure BDA0003890607460000025
S6、对比实验和模拟得到的应变曲线，若二者得到的最大应变
Figure BDA0003890607460000026
则重新定义爆破过程中炮孔壁受到的最大应力
Figure BDA0003890607460000027
S7、若加载时间
Figure BDA0003890607460000028
改变爆破应力加载时间
Figure BDA0003890607460000029
同理，若
Figure BDA00038906074600000210
重新定义爆破过程中炮孔壁受到的的最大应力
Figure BDA00038906074600000211
S8、令P0＝P0'、t0＝t'0、t1＝t'1，重复步骤S5～S7，直至
Figure BDA00038906074600000212
和
Figure BDA00038906074600000213
均小于1ⅹ10-3时，确定此时的P0和t0和t1，由此计算出α、β得到爆破等效加载应力加载曲线。
进一步的，在步骤S1中，爆破试验岩石长宽高尺寸依次为500mm、500mm、50mm，并在岩石试验中部钻取一定尺寸的圆孔以安装雷管，应变监测点布置在炮孔直径方向40mm处。
进一步的，步骤S2中，获取的径向应变随时间的变化曲线具体步骤如下：
S21、在爆破台上固定待测的岩石试样，在距离岩石的监测点处粘贴径和环向应变片；
S22、炮孔内放置电子雷管，并用橡皮泥填充炮孔与电子雷管间的空隙；
S23、将应变片采集端与高速采集仪连接，高速采集仪与程序控制与数据采集系统连接；
S24、用电子点火器引爆电子雷管；
S25、在数据采集系统中读出监测点应变随时间的变化曲线。
进一步的，步骤S3中需要确定的宏观力学参数包括：抗压强度、抗拉强度、粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比。
进一步的，步骤S5，α、β与t0、t1的关系可按下式(4)所示；在已知t0、t1情况下，可按照二分法求取α、β。
Figure BDA0003890607460000031
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法中的步骤。
根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法中的步骤。
相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法，在算法设计上引入了擅长于计算岩石大变形的离散元PFC软件，克服了岩石爆破损伤而造成的弹性反演失真问题。此外，该法不仅实现了爆破加载应力峰值的准确计算，还可对爆破加载应力路径的全过程进行反演。在实际应用中，上述反算程序可利用python语言进行封装，进一步提高算法的执行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明爆破等效加载应力曲线反演方法流程示意图；
图2示出了本发明的爆破应力等效加载曲线程序流程示意图；
图3示出了测试监测点应变的实验装置图；
图4示出了爆破等效加载应力示意图；
附图标记：
1、应变片；2、电子雷管；3、桥盒电路；4、高速采集仪；5、示波器；6、工作站电脑。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
如图1-4所示，
实施例1：
一种爆破等效加载应力曲线的反演方法，包括以下步骤：
S1、对待测岩石进行力学实验确定岩石宏观力学参数，并将待测岩石制取成爆破试验所需尺寸。随后，在待测岩石表面距钻孔一定距离设置切向与径向应变监测点，记录监测点与炮孔中心的位置关系。爆破试验岩石长宽高尺寸依次为500mm、500mm、50mm，并在岩石试验中部钻取一定尺寸的圆孔以安装雷管，应变监测点布置在炮孔直径方向40mm处。
S2、试验测量爆炸引起监测点的径向
Figure BDA0003890607460000041
与切向
Figure BDA0003890607460000042
应变随时间的变化曲线，并按照下式计算初始爆炸等效加载应力，并记录径向应变随时间变化的最大值
Figure BDA0003890607460000043
加载时间
Figure BDA0003890607460000044
以及卸载时间
Figure BDA0003890607460000045
Figure BDA0003890607460000046
获取的径向应变随时间的变化曲线具体步骤如下：
S21、在爆破台上固定待测的岩石试样，在距离岩石的监测点处粘贴径和环向应变片；
S22、炮孔内放置电子雷管，并用橡皮泥填充炮孔与电子雷管间的空隙；
S23、将应变片采集端与高速采集仪连接，高速采集仪与程序控制与数据采集系统连接；
S24、用电子点火器引爆电子雷管；
S25、在数据采集系统中读出监测点应变随时间的变化曲线。
S3、基于宏观力学实验结果标定离散元软件PFC计算所需要的微观参数；同时，构建与实验室试验等大的岩石数值模型。需要确定的宏观力学参数包括：抗压强度、抗拉强度、粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比。
S4、将上述确定的初始爆炸等效加载应力曲线与下式进行匹配，以确定迭代初值，即，最大应力P0、应力加载时间t0、应力卸载时间t1，
P＝P0ξ(e-αt-e-βt) (6)；
其中：
Figure BDA0003890607460000051
S5、在岩石模型中对炮孔表面的单元，施加按照公式(2)定义的应力加载曲线。待模型计算结束后，获取距离炮孔同一位置处的径向应变与时间的函数关系
Figure BDA0003890607460000052
提取函数中的最大应变
Figure BDA0003890607460000053
和加载时间
Figure BDA0003890607460000054
和卸载时间
Figure BDA0003890607460000055
α、β与t0、t1的关系可按下式(4)所示。在已知t0、t1情况下，可按照二分法求取α、β。
Figure BDA0003890607460000056
S6、对比实验和模拟得到的应变曲线，若二者得到的最大应变
Figure BDA0003890607460000057
则重新定义爆破过程中炮孔壁受到的最大应力
Figure BDA0003890607460000058
S7、若加载时间
Figure BDA0003890607460000059
改变爆破应力加载时间
Figure BDA00038906074600000510
同理，若
Figure BDA00038906074600000511
重新定义爆破过程中炮孔壁受到的的最大应力
Figure BDA00038906074600000512
S8、令P0＝P0'、t0＝t'0、t1＝t'1，重复步骤S50～S70，直至
Figure BDA00038906074600000513
和
Figure BDA00038906074600000514
均小于1ⅹ10-3时，确定此时的P0和t0和t1，由此计算出α、β得到爆破等效加载应力加载曲线。
实施例2：
本实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1的爆破等效加载应力曲线的反演方法的步骤。
本实施例的计算机可读存储介质可以是终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存；本实施例的计算机可读存储介质也可以是所述终端的外部存储设备，例如终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡，安全数字卡，闪存卡等；进一步地，计算机可读存储介质还可以既包括终端的内部存储单元也包括外部存储设备。
本实施例的计算机可读存储介质用于存储计算机程序以及终端所需的其他程序和数据，计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
实施例3：
本实施例的计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例1的一种爆破等效加载应力曲线的反演方法中的步骤。
本实施例中，处理器可以是中央处理单元，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等；存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据，存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器，例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
本领域内的技术人员应明白，实施例公开的内容可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本方案可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本方案可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本方案是参照根据本方案实施例的方法、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合；可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对待测岩石进行力学实验确定岩石宏观力学参数，并将待测岩石制取成爆破试验所需尺寸；
S2、试验测量爆炸引起监测点的径向
Figure FDA0003890607450000011
与切向
Figure FDA0003890607450000012
应变随时间的变化曲线，并按照公式(1)计算初始爆炸等效加载应力，并记录径向应变随时间变化的最大值
Figure FDA0003890607450000013
加载时间
Figure FDA0003890607450000014
以及卸载时间
Figure FDA0003890607450000015
Figure FDA0003890607450000016
S3、基于宏观力学实验结果标定离散元软件计算所需要的微观参数；同时，构建与实验室试验等大的岩石数值模型；
S4、将上述确定的初始爆炸等效加载应力曲线与下式进行匹配，以确定迭代初值；即，最大应力P0、应力加载时间t0、应力卸载时间t1；
P＝P0ξ(e-αt-e-βt) (2)
其中：
Figure FDA0003890607450000017
S5、在岩石模型中对炮孔表面的单元，施加按照公式(2)定义的应力加载曲线。待模型计算结束后，获取距离炮孔同一位置处的径向应变与时间的函数关系
Figure FDA0003890607450000018
提取函数中的最大应变
Figure FDA0003890607450000019
和加载时间
Figure FDA00038906074500000110
和卸载时间
Figure FDA00038906074500000111
S6、对比实验和模拟得到的应变曲线，若二者得到的最大应变
Figure FDA00038906074500000112
则重新定义爆破过程中炮孔壁受到的最大应力
Figure FDA00038906074500000113
S7、若加载时间
Figure FDA00038906074500000114
改变爆破应力加载时间
Figure FDA00038906074500000115
同理，若
Figure FDA00038906074500000116
重新定义爆破过程中炮孔壁受到的的最大应力
Figure FDA00038906074500000117
S8、令P0＝P0'、t0＝t'0、t1＝t'1，重复步骤S5～S7，直至
Figure FDA00038906074500000118
和
Figure FDA0003890607450000021
均小于1ⅹ10-3时，确定此时的P0和t0和t1，由此计算出α、β得到爆破等效加载应力加载曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，获取的径向应变随时间的变化曲线具体步骤如下：
S21、在爆破台上固定待测的岩石试样，在距离岩石的监测点处粘贴径和环向应变片；
S22、炮孔内放置电子雷管，并用橡皮泥填充炮孔与电子雷管间的空隙；
S23、将应变片采集端与高速采集仪连接，高速采集仪与程序控制与数据采集系统连接；
S24、用电子点火器引爆电子雷管；
S25、在数据采集系统中读出监测点应变随时间的变化曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3中需要确定的宏观力学参数包括：抗压强度、抗拉强度、粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S5中，α、β与t0、t1的关系可按公式(4)所示：
Figure FDA0003890607450000022
在已知t0、t1情况下，可按照二分法求取α、β。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现如权利要求1～4中任一项所述的岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法中的步骤。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～4中任一项所述的岩石爆破等效加载应力曲线的反演方法中的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116296820A (zh) * 2023-03-31 2023-06-23 四川大学 双向逼近确定岩石弹性参数与起裂应力的迭代方法及产品
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