Введение к работе
Актуальность.
Интенсивное развитие народного хозяйства невозможно осуществить без использования продукции черной металлургии - железа и его сплавов. Добыча основного сырья железорудной промышленности осуществляется взрывным разрушением массивов горной породы (Ш j - железистых кварцитов - с помощью скважинннх зарядов (СЗ). В связи с этим большую важность приобретает изучение сложных ударно-волновых процессов, происходящих в массивах ГО. Возникает необходимость анализа поведения горных пород при взрывном нагружении породных массивов, который позволил бы выявить основные закономерности распространения и взаимодействия волн напряжений по всей глубине массива горной породы, качественно и количественно оценить области возможных разрушений в массиве, выявить влияние на формирование напряженно-деформированного состояния ( НДС) различного рода факторов, таких, как скорость детонации взрывчатого вещества (ВВ) в заряде, задержка по времени в инициировании соседних зарядов ВВ, а также место инициирования заряда.
Проблемы динамического деформирования.и разрушения упру-гопластических тел, к которым, в рамках механики сплошной среды (МСС) можно отнести горные породы, являются одними из сложнейших в механике деформируемого твердого тела(мдтт). Трудность их решения обусловлена большим разнообразием параметров, характеризующих физико-механические свойства горных пород. Системы уравнений, описывающие движение таких сред с учетом разрушения, существенно нелинейны, и их решение, особенно в двух- и трехмерных случаях, может быть, получено лишь с использованием численных методов.
Современное состояние вычислительной техники позволяет достаточно эффективно осуществлять численные решения двумерных задач динамического поведения материалов, несмотря на трудности, связанные с необходимостью учета большого числа параметров. Применяемая в работе модель разрушения горной породы позволяет описывать эволюцию зон разрушения в массивах ГП с различными физико-механическими характеристиками в зависимости от действующих в них зарядов ВВ.
Целью данной работы является:
-
Математическое моделирование процессов, протекающих в массиве горной породы при подрыве системы скважинных зарядов взрывчатого вещества с учетом различных схем их расположения и инициирования;
-
Разработка на основе численного метода механики сплош- -ной среды программы, позволяющей рассчитывать в рамках предложенной модели в двумерной плоской и осеоимметричной постановках эволюцию НДС и разрушение в массиве горной породи при подрыве скважинных зарядов;
-
Определение баланса слагаемых полной начальной энергии взрыва СЗ во времени для оценки влияния заряда применяемой конструкции на производимые им разрушения в массиве ГП.
Научная новизна.
- В рамках МСС в двумерной плоской и осеоимметричной поста
новках, с применением модифицированного метода конечных эле
ментов решена задача о динамическом иагруженин массива горной
породы взрывом скважинного заряда. Использование выбранной
численной методики даег возможность исследовать волновые про
цессы, возникающие в массиве ГП при взрыве как одиночного,
так и системы скважинных зарядов ВВ при различных условиях.
К ним относятся: варьирование жеста инициирования заряда ВВ и учет скорости распространения детонации в ВВ, что позволяет рассчитать форму поля напряжений, создаваемого зарядом применяемой конструкции. Численное моделирование процесса взрыва расположенных.рядом скважинных зарядов ВВ с задержкой подрыва один относительно другого позволяют подбирать из расчета опти^-мальное время задержки в инициировании зарядов и расстояние между ними. Полученные результаты дают возможность расширить представления о процессах, протекающих в массиве ГП при ее взрывном разрушении.
— Произведен расчет разрушений в породном массиве, которые
вызываются воздействием взрыва СЗ, причем, разрушение рассмат
ривается как процесс, состоящий из зарождения, роста и слия
ния несплошностей. Предложенная методика учитывает релакса
цию напряжений во времени в процессе растяжения-сжатия, что
представляется на сегодняшний день более приближенным к реаль
ности, чем расчеты с использованием традиционных статических
критериев разрушения.
Проанализирован процесс перераспределения начальной энергии вэрнва скважинного заряда ВВ в сплошном и пористом массивах горной породы во времени, что позволяет количественно оценить воздействие выбранной конструкции заррда и самого вещества ВВ на формирование напряженно-деформированного состояния массива. Учет эволюции во времени энергетических составляющих позволяет, в определенном смисле, решить задачу оптимизации процесса разрушения горной породи.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
В рамках механики сплошной средч применительно к горным породам реализован численный алгоритм расчета динамического ЦЦС упругопластической среди на основе модифицированного метода конечних элементов.
-
Разработана методика и проведены расчеты НДС (плоская и осевая симметрия} массива горной породи при подриве как одиночного, так и системы скважининх зарядов. Качественно и количественно исследована эволюция НДС во времени для различных случаев детонации ВВ в породном массиве.
-
Проанализирована эволюция зон разрушения материала горной породы с учетом пористости среды, что позволяет реально оценить масштабы воздействия скважинного заряда ВВ на породный массив.
-
Произведена оценка распределения во времени начальной энергии взрыва скважинного заряда, что позволяет подобрать заряд оптимальной конструкции с точки зрения его воздействия на образование зон разрушения породного массива. Полученные результаты свидетельствуют о большой важности учета некоторых физико-механических характеристик горной породы, например, пористости, для анализа ее разрушения.
Таким образом, разработанная и реализованная в работе методика расчета динамического НДС в породных массивах может быть использована в проектно-конструкторских работах по созданию новых эффективных методов разрушения горной породы при добыче полезных ископаемых и созданию эффективно действующих конструкций зарядов ВВ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Вычислительная математика" Тверского госуниверсгтета в соответствии с про-
граммой "Механика деформируемого твердого тела" Гособразования СССР на 1989 - 1993 г.г. и по плану АН СССР по математическим наукам'З.22.016.05 и 3.22.017.02 "Численные методы" РК 018.3068.34 по разделам 27.03/02 и 27.03/15.
Результаты работы использованы на практике в проектно-конструкторских работах, что засвидетельствовано актом о внедрении.
Достоверность полученных результатов подтверждается тестовыми расчетами, сравнением этих результатов с численными расчетами других авторов и с известными экспериментальными данными.
Апробация работы,.
Основные результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры ФГПиП Московского горного института под руководством проф. Дербенева Л.О. (Москва, 1987, 1988, 1989 гг) , кафедры СМТУиП Тверского политехнического института ( Тверь, 1989 г.) .под руководством проф. Зубчанинова В.Г., кафедры "Вычислительная математика" Тверского госуниверситета под руководством проф. Корнеева А.И. (Тверь, 199о) .
Публикации.
Всего по теме диссертации опубликовано 3 работы. Основные результаты и защищаемые положения проведенных исследований изложены в работах /1-3/.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из 5 глав, включая введение и заключение, списка литературы, изложенных на 133 страницах машинописного текста. Список литературы (109 наго-'енований) занимает 10 страниц, иллюстрации к работе представлены на 40 страницах (42 рисунка).