Моделирование динамических процессов в горных породах

Руководители

• к.т.н Сластенко В.К.
• д.т.н Боровиков В.А.

Введение

Проблема обеспечения сохранности кристаллов при добыче и переработке алмазосодержащих кимберлитов чрезвычайно актуальна, поскольку в последнее время прослеживается устойчивая тенденция снижения показателей качества товарной продукции. Стоимость алмазов падает в геометрической прогрессии с уменьшением размера и качества кристаллов. Обследование характера повреждений алмазов позволяет утверждать, что техногенные дефекты кристаллов обусловлены, прежде всего, импульсным режимом нагружения пород на стадиях взрывного разрушения, механического дробления и измельчения кимберлитовой руды. Об этом свидетельствует характер повреждения алмазов, проявляющийся в откольно-сдвиговых трещинах и дроблении кристаллов. В экспериментальных работах выполненных В.А. Боровиковым показано, что высокомодульные включения могут разрушаться на значительных расстояниях от оси взрыва без разрушения вмещающей породы в режиме совместной деформации. Важную роль на разрушение включений играет характер нарастания амплитуды и градиент спада эпюры падающей волны, что можно регулировать формой и конструкцией заряда. В данной работе рассмотрены основные виды управлением действием взрыва в камуфлетной полости, такие как снижение плотности взрывчатого вещества и использование водяных и воздушных зазоров.

Постановка задачи

Механическая постановка задачи о плотном заряжании взрывчатого вещества в камуфлетной полости. Рассматривается плоская осесимметричная задача о взрывном ударно-волновом нагружении тела конечных размеров в Лагранже-Эйлеровой постановке. В начальном ненапряженном теле отсутствуют напряжения и деформации. Геометрическая модель тела выбрана из условий предстоящего эксперимента с рядом допущений и свойств симметрии. Имеется четверть плоского диска с меньшим радиусом r=5.3мм и большим R=200мм. В точке начала координат положим центр радиусов диска. Для описания сжимаемости тела было выбрано уравнение линейно упругого материала в лагранжевых координатах (EOS_LINEAR). Основные параметры поведения материала характеризуют модуль объемного сжатия K=4.23 GPa, который приводится как аналог модуля Юнга и коэффициента Пуассона, и удельная плотность вещества ρ=1186 кг/м^3 . Тело разбивается на прямоугольные конечные элементы с увеличением размера при отдалении от центра диска. Всего используется 10000 элементов на тело. Геометрия начальной формы взрывчатого вещества определятся из условия R_3=5.3∛G , где G=1 грамм ВВ, зададим ее в ортогональных Эйлеровых координатах со направленных с начальными координатами системы (Рисунок 4.2). Строится прямоугольная область конечных размеров 220х220мм, разбиваемая на конечные элементы с минимальным размером 0,2мм на 50мм в каждую сторону от начала координат. В точке Х=0, Y=0, заполняется область радиусом R=5.3 мм, что соответствует одному грамму ВВ ТЭН, остальное пространство заполнено воздухом при начальном давлении, требование постановки начальных условий. Для описания продуктов взрыва используется уравнение (EOS_JWL), для инициирования ВВ поместим точку детонации в начало координат (Рисунок 4.3). Расчет длится 0.2 миллисекунды, шаг по времени зависит от наименьшего размера элемента, чем меньше элемент, тем меньший шаг по времени для интегрирования. Все решатели расчетного комплекса ANSYS AUTODYN применяют явную (explicit) схему интегрирования по времени. Поставим граничные условия для тела, по оси X=0 ограничим перемещения узловых точек вдоль оси X, и по оси Y=0 ограничим перемещения точек по Y. Взаимодействие между элементами Лагранжевой и Эйлеровой сетки выберем методами свободных полиномов с автоматическим выравниванием сетки для уменьшения искажения элементов. Повторим процедуры с необходимым изменением геометрии и материалов, используемых в пакете. Увеличив размер камуфлетной полости, не меняя размеры взрывчатого вещества, получим новую постановку задачи, о влиянии воздушного зазора на напряженно деформированное состояние тела. Заполнив сетку в образовавшемся зазоре жидкости, получаем задачу о влиянии водного зазора на ударно-волновой отклик среды. Изменив модель материала взрывчатого вещества ТЭН с меньшей плотностью и коэффициентами советующими поведению ВВ ТЭН с меньшей плотностью, ставится четвертая задача о влиянии изменения мощности продуктов детонации.

Заключение

В результате проведенных модельных расчетов показано, что наибольшая интенсивность воздействия волны напряжений на нагружаемую среду проявляются при использовании мощных ВВ и плотном заряжании их в зарядную камеру. Использование конструкций заряда с водяными зарядами снижает амплитуду и длительность действия волны напряжения. Конструкции заряда с воздушными зазорами резко снижают параметры волны напряжения во взрываемой среде – кимберлите. Показано, что управление дроблением горных пород путем изменения конструкции заряда позволяет регулировать зоны дробления, трещинообразования и откола, а следовательно, можно обеспечить снижение потенциально опасной зоны повреждения кристаллов. Выполнены работы по подготовке модельного эксперимента в блоке органического стекла, для различных конструкций заряда, которые позволят оценить радиус потенциально опасной зоны при взрывной нагрузке гетерогенной среды.