مکانیزم شکست در اثر انفجار

عبور امواج حاصل از انفجار باعث ایجاد تنش های کششی و فشاری در سنگ شده و توده سنگ را از لحاظ رفتار مکانیکی و دینامیکی تحریک می نماید . در بررسی کارایی مواد منفجر ه و به طور کلی ارزیابی کیفیت انفجار، داشتن اطلاع دقیق از رفتار سنگ تحت تنش های ناشی از انفجار و کیفیت انتقال و توزیع انرژی حاصله از آتشکاری نقش بسزایی دارند.

پدیده رشد ترك در مواد سنگی مسأله پیچیده‌ای است و اغلب نیازمند تكنیك‌های پیشرفته‌ای جهت پیش‌بینی هندسه شكست می‌باشد. فرایند شكست با جوانه‌زنی ترك شروع می‌شود كه وابسته به چقرمگی شكست است و بنابراین دقت هرگونه مدل‌سازی و نتایج آن به مقدار چقرمگی شكست سنگ بستگی دارد. از این رو تعیین مقدار چقرمگی شكست اهمیت ویژه‌ای دارد. اولین تلاش‌ها توسط اشمیت به منظور تعیین مقدار چقرمگی شكست سنگ‌ها بر مبنای روش تست استانداردی صورت پذیرفت كه برای اندازه‌گیری چقرمگی شكست كرنش صفحه‌ای مواد فلزی پیشنهاد شده بود . به دنبال آن كارهای آزمایشگاهی فراوانی جهت تعیین چقرمگی شكست سنگ‌های مختلف با استفاده از نمونه‌هایی متفاوت صورت گرفت .صحت نتایج روش‌های تست تدوین‌شده نیازمند نمونه‌هایی با ابعاد هندسی بزرگ و هزینه‌های گران ماشین‌كاری بود كه در عمل تهیه آنها از موادسنگی گاهی غیرممكن و یا غیرعملی بود تا اینكه نمونه‌های[1] Core معرفی شدند كه نسبت به سایر نمونه‌ها مزایای متعددی داشتند. مكانیك شكست سنگ به طور گسترده ای در فرایند آتشباری سنگها، شكست هیدرولیكی، تحلیل شیبهای سنگی، ژئوفیزیك، مكانیك زلزله، استخراج انرژی ژئوترمال زمین، حفاری های زیرزمینی، حفاری چاههای نفت و در بسیاری از مسائل كاربرد فراوانی دارد . هنگامی كه یك سنگ ترك یا شكست ذاتی دارد، رفتار مكانیكی پیرامون انتهای ترك، فاكتور مهمی است كه باید در طراحی و پایداری فرایندهای ذكر شده موردتوجه قرار گیرد . این مطالعه، كاربرد مكانیك شكست را برای مشخص كردن خصوصیات شكست بررسی میکند.هدف اصلی این تحقیق بررسی مکانیزم شکست سنگ در اثر انفجار –بخش عمده شکستگی سنگ و ایجاد درز و ترک چقرمگی و مقاومت سنگ و همچنین اهداف دیگر این تحقیق تحلیل عددی و میدانی انتشار امواج و تركهای حاصل از انفجار پیش شکافی در توده سنگ، تحلیل عددی مکانیزم شکست پایه های سنگی در معادن عمیق، تعیین چقرمگی شکست یک نوع سنگ با استفاده از یک قطعه آزمایشگاهی اصلاح شده، اندازه گیری چقرمگی شكست سنگ و بررسی خصوصیات شكست آن تحت شرایط بارگذاری مركب با استفاده از روشهای عددی و آزمایشگاهی، تحلیل اجزاء محدود نمونه CNSR جهت تعیین چقرمگی شکست مواد سنگی

کلمات کلیدی : شکتگی سنگ ،چقرمگی سنگ ،مکانیک سنگ

[1] Based Chevron Notched Specimens

فهرست مطالب

چکیده:‌ح

فصل اول کلیات... 1

مقدمه. 2

1-1-عوامل موثر بر کیفیت انتقال انرژی حاصله از آتشکاری.. 3

1-2-پارامتر های موثر در کیفیت انتقال انرژی.. 3

1-3-امپدانس سنگ و ماده منفجره3

1-4-ضریب امپدانس و ضریب جفت شدگی.. 4

1-5-تعریف متغیر های تحقیق.. 4

1-5-1-چقرمگی شکست... 4

1-5-2-مکانیک شکست... 5

1-6-مقاومت و مکانیک سنگها6

1-6-1-خواص مکانیکی سنگها6

1-6-2-مغزه گیری و آماده سازی نمونه:7

1-7- ویژگیهای مقاومت:8

1-7-1-شکست:8

1-7-2-مقاومت پسماند:8

1-8-تعیین مقاومت فشاری یک محوره8

1-8-1-عوامل موثر بر مقاومت فشاری:9

1-9-آنالیز فرآیند شکست سنگ.... 12

1-9-1-آتشکاری سنگ، دارای دو اثر می باشد:12

1-9-1-1-فشار دینامیکی:12

1-9-1-2- فشار استاتیکی:12

1-9-2-مکانیزم آتشکاری متوسط نامحدود. 13

1-10- زون شکست (زون فشرده شده ) :14

1-11-زون شکست (زون گسیختگی) :15

1-12-زون ارتعاش الاستیک :16

فصل دومادبیات تحقیق.. 17

2-1- عملیات درمعدن. 18

2-2- مشخصات پارامترهای شکست سنگ.... 18

2-3- شکست سنگ بعد از انفجار در معدن روباز. 19

2-4 روشهای آزمایشگاهی تعیین چقرمگی شکست سنگ در حالت کشش و برش... 20

2-4-1- نمونه های (SR):20

2-4-2-نمونه های (CB) :21

2-4-3- نمونه های (CCNBD) :22

2-4-4-نمونه های (SNSCB):23

2-5-روش PTS)) :24

2-6- تحقیقات انجام شده25

فصل سومروش های تحقیقات... 29

3- روش های تحقیقاتی برای ارتعاشات ناشی از انفجار. 30

3-1- شاخص های چگالی ارتعاش... 30

3-1-1-رابطه تجربی میرایی.. 30

3-2- تعیین چقرمگی شکست یک نوع سنگ ب ااستفاده از یک قطعه آزمایشگاه ی اصلاح شده33

3-2-1- معرفی روش تست جدید. 34

3-3- اندازه گیری چقرمگی شكست سنگ و بررسی خصوصیات شكست آن تحت شرایط بارگذاری مركب... 36

3-4- تحلیل اجزاء محدود نمونه CNSR جهت تعیین چقرمگی شکست مواد سنگی.. 36

فصل چهارمیافته ها و نتایج.. 39

4-1- مکانیزم شکست سنگ.... 40

4-2-چقرمگی شكست :40

4-3-حالت های مختلف گسترش ترک :40

4-4- فشار چال، فشار انفجار و نواحی اطراف چال انفجار. 41

4-5- معیارهای تجربی پیش بینی شعاعهای آسیب اطراف چال انفجار. 42

4-6- براساس یك معیار سرانگشتی :43

4-7- برآورد مناطق پودر شده و تركهای شعاعی اطراف چال انفجاری.. 44

4-8- عوامل اصلی میرایی امواج لرزهای :45

4-9- آزمایش های میدانی.. 45

4-9-1- تعیین ماکزیمم مقدار خرج در هر تاخیر. 45

4-9-2- نمودارهای عملی آتش باری.. 47

4-9-3- تداخل طول موج.. 49

4-3- تحلیل عددی مکانیزم شکست پایه های سنگی د رمعادن عمیق.. 51

4-4- تشریح تستهای آزمایشگاهی.. 53

4-5- خصوصیات مصالح.. 54

4-5-1-مدل المان محدود. 55

فصل پنجم نتیجه گیری.. 59

نتیجه. 60

منابع. 64

  فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل 1-1-مقایسه ی دو رفتار شکننده و شکل پذیر سنگ در اثر بار گذاری.. 9

شکل 1-2-تاثیر اثر انتهایی نمونه بر روی شکست سنگ.... 10

شکل 1-3- آزمایش مقاومت فشاری یک محوره سنگ با توجه به نسبت ارتفاع به قطر. 11

شکل 1-4-شکل شماتیکی دیاگرام تاثیرات آسیبی آتشکاری.. 14

شکل 2-1- هندسه و نحوه ی بارگذاری نمونه sr (Ouchterlony , 1988 )21

شکل 2-2- هندسه و نحوه ی بارگذاری نمونه CB ( ouchterlony , 1988)22

شکل 2-3- هندسه ، نحوه بارگذاری و مراحل ایجاد شکاف در نمونه (khan and Al –shayea ,2000) SNSCB.. 23

شکل2-4- هندسه نمونه ، نحوه بارگذاری و نمای شماتیک از نوک ترک قبل و بعد از تغییر شکل برای PTS –test ( Backers et al ,2002 )25

شکل 3-1- صورت گرافیکی نقاط اندازه گیری و منحنی رگرسیون. 32

شکل 3-2- قطعه SCB (ترک زاویه دار – تکیه گاه ها متقارن)34

شکل 3-3- قطعه ASCB (ترک مستقیم – تکیخ گاه ها نامتقارن )35

شکل 4-1-سه مود اصلی انتشار ترک.... 41

شکل 4-2- مقطع چال انفجار و مناطق پنج گانه اطراف آن براساس پیشنهاد ایورسن و هماران (2008)42

شکل 4-3-تغییرات تنش فشاری به کششی در اثر بازتاب از سطح آزاد در فاصله 20 متری از مرکز انفجار. 45

شکل 4-4-فرکانس ارتعاش از وقایع ثبت شده47

شکل 4-5-نمودار تخمین PPV براساس Q,R.. 48

شکل 4-6-نمودار برآورد ماکزیمم خرج ویژه برپایه PPV , R.. 48

شکل4-7-هندسهمدلساختهشدهواستفادهشدهدرتحلیلعددی.. 52

شکل 4-8- منحنیتیپبارجابجاییبراییکپایه. 52

شکل 4-9- منحنیرفتارپایهدرشرایطتودهسنگباصلبیتپائین.. 52

شکل 4-10 - منحنیرفتارپایهدرشرایطتودهسنگاحاطهکنندهباصلبیتبالا.. 53

شکل4-11-نحوهانجامتستبااستفادهازروش ASCB.. 54

شکل 4-12-هندسهنمونهآزمایشاصلاحشده Arcan.. 55

شکل 4-13-نمونهودستگاهاصلاحشده Arcan.. 56

شكل4-14-طرحیكمدلمشبندیشدهكاملازدستگاهونمونهاصلاحشده Arcan الف) قبلازبارگذاریب) بعدازبارگذاری 56

شکل 4-15-المانهایسینگولاراطرافراسترك.... 57

شکل 5-1- مقایسهنتایجچقرمگیشکستحاصلازتستآزمایشگاهیو. معیار MTS درمودهایمختلف.... 61

شكل5-2-تاثیرزاویهبارگذاریبرمقادیرنرخانرژیكرنشیآزادشدهكل (GT). 62

شكل5-3-تاثیرزوایایبارگذاریبرنرخانرژیآزادشدهكل،نرخانرژیآزادشدهمدكششیومدبرشی وانرژیمحاسبهشدهتوسط –J انتگرالدریكنمونهسنگآهك.... 63

شكل5-4-تاثیر زوایای بارگذاری بر مقادیر فاكتور شدت تنش برای یك نمونه سنگ آهك.... 63

 فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول 1-1- مغزه گیری و آماده سازی نمونه. 7

جدول 3-1- پارامترهای پایه مربوط به ارتعاشات ناشی از آتش باری و نتایج آزمایش های میدانی.. 31

جدول 4-1- روابط گوناگون برآورد منطقه پودر شده و تركهای شعاعی اطراف چال انفجار. 44

جدول 4-2-اجازه ارتعاش ناشی از انفجار بر اساس استاندارد چین.. 46

جدول 4-3- نتایج موفقیت کاهش ارتعاشات و میزان کاهش در ارتعاشات... 50

جدول4-4اطلاعات استفاده شده در تحلیل عددی.. 51

جدول4-5-مشخصات مكانیكی سنگهای مورد استفاده در تحلیلهای المان محدود. 54

جدول 4-6- مقایسه بین روش های مختلف ارائه شده برای اندازه گیری چقرمگی شکست سنگ.... 58