Page 78 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 左 庭，等： 冲击荷载下含铜矿岩能量耗散的数值模拟 第 5 期

consistent, which are characterized by transmission energy, dissipated energy and reflection energy decreased successively.
Furthermore, significant variations in fragment size distribution are observed with changes in dissipated energy. Specifically, as
dissipated energy increases from 19.52 J to 105.72 J, the average fragment size decreases from 27.98 mm to 16.94 mm, while
the fractal dimension increases by 26.43%. This suggests that higher dissipated energy results in more extensive macroscopic
fragmentation, an increase in the number of fragments, smaller particle sizes and enhanced uniformity. As the impact load
intensifies, the time to crack initiation decreases, and the proportion of tensile cracks relative to total cracks increases. The
application of the FDEM offers new insights into the fracture and failure characteristics of rocks.
Keywords: split Hopkinson pressure bar; copper-bearing rock; fragmentation; fractal dimension; energy dissipation; finite
discrete element method

铜作为生产生活中应用最广泛的金属之一，在国民经济建设中发挥着重要作用 。为了获取金属
[1]
铜，首先需对含铜矿岩实施爆破，然后对所采矿岩进行二次爆破或机械压碎、磨碎等碎矿过程，以减小矿
岩块度。在运用爆破、机械等手段破碎矿岩时，往往存在能量利用率低、耗散大等的问题。随着国家对
矿产资源绿色开发战略的实施，矿山企业常常面临节能降耗的艰巨任务，因此，减少矿岩破碎过程中能
量消耗的问题亟待解决。
在矿山开采过程中，动载破碎仍为破岩的主流方法，当前用于研究岩石动态力学特性的设备主要有
落锤、轻型气炮、飞片及分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）等，其中应用最广泛的
为 SHPB 装置。目前，学者们已经针对岩石破碎过程中的能耗特征与块度分布开展了一系列的研究与探
讨，并取得了一定的成果。黎立云等 采用 SHPB 开展了砂岩的动态冲击试验，通过调整冲击气压，获得
[2]
了不同应变率下砂岩试件的破坏模式。武仁杰等 通过对层状岩石进行 SHPB 试验，研究了不同层理倾
[3]
角的层状岩石在不同冲击速度荷载下岩石破碎块度与各能量间的关系。Cho 等 [4] 对花岗岩和凝灰岩开
展了不同冲击气压的动态压缩试验，发现 2 种岩石材料的动态抗压强度均与平均应变率呈明显的正相
关关系。江益辉 [5] 采用异形冲头 SHPB 试验系统，同时借助高速摄影机，探究了花岗岩超过峰值应力后
2D
的损伤破坏特征，此外，建立了 PFC 数值模型，进一步从理论角度解释了花岗岩在峰后损伤破坏的机制
机理。尤业超等 [6] 基于能量原理分析了三轴压力下盐岩的能量传递规律及破坏模式。Ping 等 [7] 对砂岩
开展了一系列的动态劈裂试验，分别探讨了 25～800 ℃ 热处理后砂岩的动态拉伸特性。Li 等 [8] 利用自
主改进的 SHPB 系统，探究了在三维压力条件下盐岩的动态力学特性，并定量分析了盐岩在破碎过程中

各能量的传递规律。Yu 等 [9] 采用 SHPB 系统对大理岩进行了动态三点弯曲试验，结果表明，随着大理岩
试件动态累积损伤的增加，其动态断裂韧性与断裂能均逐渐降低。近年来，数值模拟成为研究岩石破裂
过程必不可少的手段，利用有限离散元方法（finite discrete element method, FDEM）模拟岩石的连续-非连
续断裂过程受到越来越多学者的关注 [10-12] 。
综上可知，目前的研究大部分针对砂岩、花岗岩、大理岩等单一岩样，对于含金属矿物成分的矿岩
动态力学特性研究较少。为此，本文中，借助 SHPB 对含铜凝灰岩进行常规冲击试验，基于应力波传播理
论、能量守恒定律、分形维数理论和 FDEM 方法，研究含铜凝灰岩在冲击荷载作用下的能量耗散和裂纹
扩展行为，以期为降低采选过程中的能量消耗提供理论参考。

1 冲击试验设备及试件制作

1.1 试验设备

∅ 50 mm 分离式霍普金森杆进行常规冲击试验，如图 1 所示。试验设备中的弹性
选择昆明理工大学
3
压杆均由 Cr40 合金钢加工而成，密度为 7 800 kg/m ，弹性模量为 210 GPa，纵波波速为 5 190 m/s，其中入
射杆和透射杆长均为 2 m，纺锤形子弹冲头长为 0.4 m。
基于一维应力波假设和应力均匀性假定 [13-15] ，采用“三波法”将存储的试验数据进行分析处理，便

053202-2