Numerical simulation of Yilan crater formation process
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摘要: 基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究，采用欧拉算法开展数值模拟，探讨了依兰陨石坑的撞击条件，统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律，结合点源成坑相似律模型，拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑，再现了成坑形成的3个阶段：接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布，少量熔体随抛射物沉积在靶体表面，呈离散状分布，完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120 m、撞击速度12 km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。Abstract: The formation process of the Yilan crater was numerically studied based on the iSALE-2D simulation code. The Euler algorithm was used to carry out the numerical simulation, and eight groups of working conditions were simulated. According to the scaling law, it was determined that the projectile diameter range was 90 to 120 m, and the projectile velocity was 12 and 15 km/s. Simulation results under the corresponding working conditions within 150 s of impact were obtained, including the crater diameter, depth, and crater profile curve. The optimal impact conditions of the Yilan crater were studied, and the formation and distribution of the molten layer during the cratering process were statistically analyzed. Combined with the point source cratering similarity law model, the relationship of cratering radius under the strength mechanism was obtained by fitting. The research results show that, according to the comparison between the simulated data and actual exploration data, a granite asteroid with a diameter of 120 m and an impact velocity of 12 km/s vertically hits the surface, forming a crater with a shape similar to the Yilan crater. The crater has a final diameter of 1 840 m and a crater edge depth of 263 m, which is in good agreement with the exploration data of the Yilan crater. Three stages of crater formation were reproduced: contact and compression, excavation, and modification. The distribution of the impact melting layer of the target plate material during the crater formation under the simulated conditions were revealed. The material melted completely when the peak pressure exceeds 56 GPa during the impact process, and this process was completed within 20 ms. Most melts was distributed at the bottom of the crater in layers and stacks, and a small amount of melts was deposited discretely on the surface of the target plate. The mass of the completely melted material is about 24 times the projectile mass. The relative error between the simulation results and the fitted crater radius relational results under the conditions with 120 m diameter and 12 km/s impact velocity is 10.3%.
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Key words:
- impact crater /
- iSALE-2D /
- hypervelocity impact /
- impact melting
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岩爆, 也称冲击地压, 常出现在深埋地下工程硬脆岩体高地应力区域施工的过程中, 坚硬围岩因开挖扰动导致应力的转移与集中, 当集中应力超过巷道围岩的破坏强度时, 聚积在巷道岩体内部储存的弹性应变能突然释放, 致使巷道围岩产生爆裂性松脱、剥落、弹射或抛掷, 甚至发生矿震, 严重威胁矿山安全生产, 常造成重大人员伤亡和生产设备的损坏事故[1-3]。对于岩爆产生的机理, 虽然很多学者进行了大量研究, 但目前仍没有定论[4-5]。岩爆断裂微观结构形貌分析, 在一定程度上真实反映了岩爆形成时岩石材料内部损伤演化过程中的受力情况和结构破环特征, 客观地揭示了断裂过程的本质特性。扫描电镜(SEM)自从1965年被发明以来, 在各行业应用广泛, 尤其是在研究材料的微观结构方面发挥了巨大作用[6-8]。近几十年来, 一些学者将扫描电镜应用到研究岩石断口的微观几何图像, 以此来探索岩爆形成的过程, 分析岩爆断口的微观形貌特征与断裂力学性质, 揭示岩爆微裂纹的萌生、扩展、贯通等动态破裂机理, 建立岩石断裂微观结构形态与岩爆过程的内部关系[9-11]。
由于岩爆现场导致的岩石较破碎或取样较难, 所以关于岩爆现场岩样的相关研究不多, 为了进一步探索岩爆机理, 本文中针对平顶山十二矿高应力区域岩爆现场取样, 采用扫描电镜对其岩石断口微观结构形貌进行分析, 结合该矿地应力和岩石自身物理力学性质探索平顶山十二矿岩爆产生的机理。
1. 岩爆岩石断口电镜实验
十二矿位于平顶山东部, 矿区地质主要受一系列的北西-南东向褶皱平行排列的复式褶皱构造形态影响, 同时兼有前聂背斜、焦赞向斜、郭庄背斜、任庄向斜等构造形态。目前该矿山开采深度超过1 km, 属于深埋矿山, 在该矿三水平皮带下山施工过程中, 巷道围岩经常发生岩爆, 发出巨大声响, 并抛出岩石, 给施工造成巨大影响。围岩主要是砂岩, 经室内实验, 其单轴抗压强度为206.6 MPa, 弹性模量为34.6 GPa, 普氏系数为20.6, 属高强度硬脆岩石。为了该矿山的安全生产, 作者对该矿-600 m进风巷道三水平皮带下山施工过程中岩爆岩石取样, 并对其断口进行扫描电镜(SEM)观察, 拟从微观角度研究断口微观结构形貌, 对岩爆机理进行解释和探讨。
1.1 实验取样
为了便于比较分析, 试样选取岩爆区域不同部位的2个试样:
(1) 岩爆附近围岩巷道边帮劈裂岩块, 岩性为砂岩(岩样1);
(2) 岩爆抛射出的岩块, 岩性为砂岩(岩样2)。
1.2 试样制备及实验设备
试样断口背面打磨平整, 厚度4 mm, 断口面积为1 cm2, 将试样用导电胶粘于样品台上, 进行真空镀膜, 喷涂金膜后进行电镜观察。实验采用S-3400型扫描电子显微镜对岩爆岩石断裂微观结构形貌进行观察。
2. 实验结果分析
2.1 岩爆断口微观形貌特征
岩石断口的微观形貌总体可分为剪裂和拉断2大类[12-14]:剪裂断口微观形貌花样包括平行滑移线状花样、条纹花样、线状排列小颗粒状花样等8种。拉断断口微观形貌包括台阶状花样、河流状花样、舌状花样、根状花样等9种。
本次研究采用扫描电镜(SEM)在岩爆岩石断口进行了微观扫描, 根据不同放大倍数下的砂岩断口花样代表性的显微照片, 分析岩爆不同部位2种砂岩的微观破坏形貌特征、微观破裂形式和微观破坏力学机理。
砂岩由多种矿物组成, 各矿物晶体之间含有大量裂隙, 裂纹大多源于众多晶体颗粒的边界或晶体颗粒与胶结物的交界处, 在晶界处裂纹很少, 主要原因是颗粒的强度远大于胶结强度, 岩爆发生后受应力波及材料内部结构的影响, 岩石断口形貌较复杂, 呈台阶状、河流状、雾区状等。在岩爆强大的弹性能作用下, 导致晶体颗粒与胶结物的交界处最先起裂, 应力波传播时遇到晶界、晶体时产生反射, 这样应力波反复叠加交错, 使裂纹扩展迅速且裂纹形貌复杂。其断裂机理总体可归结为拉张和剪切破坏2种。砂岩内部晶体颗粒起初处于随机分布的无序状, 随着应力波导致胶结物的起裂, 强大的岩爆应力波瞬间使起裂纹扩展, 当应力波传播到晶粒内, 在晶粒内产生裂纹或裂纹扩展贯通晶粒, 大量裂纹在不同晶面上产生交合、贯通而产生裂缝, 裂缝在岩爆弹性能作用下撕裂、错动相交成台阶状; 晶面上不同平面内的微裂纹与岩爆的微裂纹受应力波撕裂作用形成台阶(见图 1, 岩样1), 撕裂是由晶体连接部分在岩爆强大弹性能迅速释放时产生的剪、拉应力造成的, 台阶表面凸凹交错、形貌复杂, 这与砂岩自身的各向异性、非均质、非线性关系密切。砂岩自身的弱面或层状的发育结构, 在岩爆应力波的冲击下, 极易在这些区域产生初始裂纹, 这些裂纹的扩展形成层状或者板状(见图 2, 岩样1)。
砂岩中一些晶粒被其他颗粒或胶结物包围, 矿山局部区域高应力集中使这些颗粒的周边最先形成微裂纹, 然后逐渐扩展至颗粒内部, 当颗粒被微裂纹在内部完全贯通时, 颗粒彻底失去承载能力突然断裂(当大量颗粒在同一时间段内突然断裂, 形成很强大的弹性能突然释放, 造成部分岩块脱离母体向自由面而弹射出来, 形成岩爆), 形成粗糙的雾区(见图 3, 岩样2)。若砂岩内部的胶结物较多时, 在强大岩爆应力波冲击下, 极易产生沿晶断裂, 断裂面较平整(见图 4, 岩样2), 此时地应力的最大主应力平行于断口。
图 4 沿晶断裂断口微观形貌Figure 4. Micromorphological cross section of a crack's intergranular fracture2.2 地应力与岩爆关系
平顶山十二矿-600 m进风巷道三水平皮带下山所处位置接近李口向斜轴部, 岩层走向118°, 倾角大致在0°~5°。经现场地应力测量(表 1), 地应力较大, 最大主应力与最小主应力差值也较大。根据实测皮带下山与最大主应力的夹角约为19°, 这有益于皮带下山巷道围岩后期的稳定性, 但给开采初期的巷道掘进带来了安全隐患, 最大主应力方位角与李口向斜枢纽近似90°, 表明该区域地应力以构造应力为主。最大主应力造成工作面左帮的应力集中, 这是造成工作面左帮多次发生岩爆的主要原因。
表 1 地应力实测结果Table 1. Results of in-situ stress measurements测点 最大主应力 中间主应力 最小主应力 σ/MPa 方位α/(°) 倾角β/(°) σ/MPa 方位α/(°) 倾角β/(°) σ/MPa 方位α/(°) 倾角β/(°) 进风巷A 24.7 219 37 12.6 119 13 5.1 13 50 进风巷B 29.7 235 45 11.9 104 34 6.6 355 27 (1) 岩爆区附近劈裂岩块断口形貌特征多呈台阶状(见图 1)和板状(见图 2), 根据劈裂岩块在围岩中的方位可知, 台阶劈裂面大致平行巷道走向, 这与地应力最大主应力方向平行。从图 1可以看出, 左上部为沿晶拉花, 其他部位为穿晶拉花, 是拉张断裂, 主要是在巷道切向应力(最大主应力)作用下挤压张裂。上述断口形貌特征表明, 劈裂纹的产生主要是脆性断裂。
(2) 岩爆抛射出的岩块断口形貌特征为雾区状(见图 3)和沿晶断裂(见图 4)。巷道围岩横断面上, 岩爆断面台阶状形貌较复杂, 由于岩爆抛出的碎石无法准确地确定其在原岩的具体位置和所处方向, 但是根据围岩岩爆断口和抛出岩石的断面形状之间的吻合度, 大致可以判断出破裂面与最大主应力之间的关系:有的裂面与巷道走向及切应力(最大主应力)方向大致平行, 有的裂面与切应力(最大主应力)成约30°, 其断面有的区域为沿晶拉花, 有的为穿晶拉花, 属于拉张和剪切型断口。有的岩块呈板状, 多被拉成碎片; 有的岩块呈透镜状、透镜棱块状及鳞片状, 多受剪切所致。
2.3 岩石微观成分与岩爆关系
岩石一般是由多种矿物组成的比较稳定的固态集合体, 矿物自身有一定的物理化学特性, 不同的矿物因其化学成分和分子结构不同, 其化学键也各不相同, 导致矿物本身的力学特性也各异, 在承受外力过程中储存弹性变形能和变形破坏突然释放弹性能的能力也不同。
岩石材料的微观结构决定了其宏观的力学特性, 矿物成分的差异也会对材料破坏特征产生较大的影响, 因此, 在前述不同的2块砂岩中, 选取破裂面对其细观成分进行分析。
由图 5~6、表 2~3(表中w、a分别表示质量分数、原子分数)对比可知, 砂岩2矿物成分含C、O、Si、Cr、Fe、Ni共6种化学成分, 颗粒均匀、致密、结晶程度好, 弹性模量大, 其刚度和抗变形的能力也大, 强度高, 在承受荷载时, 这些矿物组成受力骨架, 能够积蓄大量的弹性应变能; 而砂岩1岩样矿物成分除含有上述6种化学成分外, 还含有其他成分, 矿物成分多, 颗粒粒径大小、形态、组构各异, 胶结物较多, 结晶程度低, 弹性模量小, 受力时变形大, 发生塑性变形耗散的能量也大, 强度也相对较低。所以砂岩2相比砂岩2弹性模量大、强度高, 发生脆性破坏的能力增强, 在承受载荷的过程中储存弹性应变能能力增强, 产生塑性变形消耗的能量小, 所以岩石变形破坏后释放的剩余应变能增大, 发生岩爆的可能性增强。因此, 在外界应力集中程度相同的情况下, 岩爆极易发生在结晶程度高、结构致密、均匀的硬脆性岩石中。
表 2 岩样1元素成分分析Table 2. Component analysis of No.1 rock material元素 w/% a/% C 27.78 55.64 O 11.11 16.71 Na 1.52 1.59 Si 1.85 1.59 Cl 0.62 0.42 Ca 0.76 0.45 Cr 5.88 2.72 Fe 9.82 4.23 Ni 40.65 16.65 表 3 岩样2元素成分分析Table 3. Component analysis of No.2 rock material元素 w/% a/% C 27.05 54.90 O 10.54 16.05 Si 3.67 3.18 Cr 23.72 11.12 Fe 9.63 4.20 Ni 25.40 10.55 3. 结论
通过扫描电镜对平顶山十二矿岩爆机理进行了分析, 得出如下结论:
(1) 巷道围岩劈裂岩块断口形貌特征大多呈台阶状, 劈裂面与地应力最大主应力方向平行。岩石断口微观形貌特征表明是拉张断裂, 主要是在巷道切向应力作用下挤压张裂。劈裂纹的产生以脆性断裂为主。
(2) 岩爆抛射出的岩块断口形貌较复杂, 有的裂面与巷道走向及切应力(最大主应力)方向大致平行, 有的裂面与切应力(最大主应力)成约30°, 其断面有的区域为沿晶拉花, 有的为穿晶拉花, 属于拉张和剪切型断口。呈板状的岩块, 多被拉成碎片; 呈透镜状、透镜棱块状及鳞片状的岩块, 多受剪切所致。
(3) 对过平顶山十二矿岩爆机理的分析, 可为该矿今后采取有效措施预防岩爆的发生提供依据。
感谢河南理工大学苏承东教授、刘建辉硕士, 东北石油大学夏法锋教授在地应力测量及电镜扫描中给予的帮助。 -
图 3 重力初始化靶体岩石静压和靶体密度
Figure 3. Gravity-initialized lithostatic pressure and density of target
图 4 直径120 m、速度12 km/s的花岗岩质小行星撞击成坑3个阶段材料和温度分布
Figure 4. Material and temperature distributions in three stages of crater formation induced by the impact of a 120-m-diameter granitic asteroid with the velocity of 12 km/s
图 5 直径120 m、速度12 km/s的花岗岩质小行星撞击坑的半径和坑深随时间的演化
Figure 5. Time histories of the radius and depth of the crater induced by the impact of a 120-m-diameter granite asteroid with the velocity of 12 km/s
图 6 直径120 m、速度12 km/s的花岗岩质小行星撞击陨石坑形成过程花岗岩熔化层分布
Figure 6. Distribution of granite melt layers during the crater formation induced by the impact of a 120-m-diameter granite asteroid with the velocity of 12 km/s
图 7 无量纲化的花岗岩完全熔化质量与撞击体直径的关系
Figure 7. Dimensionless completely-melted granite mass varied with projectile diameter
图 8 不同模拟工况在计算结束时间150 s所对应的陨石坑剖面轮廓
Figure 8. The crater profiles corresponding to the different simulation conditions at the end time of 150 s
图 9 成坑半径拟合曲线与工况7数据的对比
Figure 9. Comparison of the crater radius fitting curve and the data of condition 7
表 1 模拟工况
Table 1. Simulation conditions
工况 dp /m u/(km∙s−1) t/s 1 90 12 150 2 90 15 150 3 100 12 150 4 100 15 150 5 110 12 150 6 110 15 150 7 120 12 150 8 120 15 150 
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表 2 陨石坑熔化层分布
Table 2. Distribution of melted layers in craters
工况 dm /m mt /(1010 kg) 1 2.34 2 3.86 3 3.25 4 30～50 5.62 5 4.39 6 10～50 7.65 7 30～50 5.64 8 35～50 9.65
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表 3 8组模拟工况在150 s坑形数据
Table 3. Crater shape data for eight simulation conditions at 150 s
工况 dp/m u/(km∙s−1) Df/m dr/m dr/dp 1 90 12 1470 182 2.02 2 90 15 1660 208 2.31 3 100 12 1610 227 2.27 4 100 15 1710 269 2.69 5 110 12 1770 251 2.28 6 110 15 1930 317 2.88 7 120 12 1840 263 2.19 8 120 15 2040 359 2.99
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