爆破损伤岩石力学特性的试验研究

在不同的爆破条件下,在大理岩中进行了模拟爆破实验。在对爆破损伤岩石的力学特性进行实验研究的基础上,得到了在不同爆点距离和爆破条件下,爆破对岩石损伤作用的一些规律,并应用岩石弹脆性细观损伤模型,对爆破损伤岩石的细观裂纹扩展规律及其损伤特性进行了分析。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

岩石爆破机理与显示动力学有限元理论研究

隧道的爆破总体上说就是岩石的爆破,所以研究岩石的爆破机理显得尤为重要。国内外很多学者都对岩石的爆破机理进行了研究,但是没有形成完整的岩石爆破作用机理理论。本文对岩石的力学性质、爆破机理、显示动力学进行研究,为岩石爆破数值模拟提供参考。     

临近岩石边坡开挖轮廓面的爆破设计方法

基于岩石爆破损伤影响范围控制的质点峰值振动速度判据。就临近岩石边坡开挖轮廓面的爆破开挖设计方法进行了探讨。修正了在国际上被广泛引用的计算质点峰值振动速度的Holmberg-Persson方法中隐含的数学错误。提出一种更具理论基础且又切实可用的确定岩石爆破中爆源近区的质点峰值振动速度衰减规律的新方法。最后结合三峡工程通航建筑物岩石边坡开挖中的工程实例对建议方法的具体应用作了介绍。并就三峡工程实际采用的爆破设计参数的合理性进行了评价。     

岩石高边坡爆破开挖安全评价分析

岩石高边坡开挖过程中最主要的方法是爆破技术,在开挖过程中,由于爆炸和气体之间的联合作用,在完成岩石爆破的同时,也会在一定程度上给岩石高边坡的稳定性和岩体的动力带来损伤。针对这一系列问题,本文将通过以下几部分对岩石高边坡爆破开挖的安全性进行简要分析。     

不同炮孔间距下隧道爆破特性与工程研究

为研究隧道施工过程中岩石爆破的特性,探讨符合实际工程的爆破间距,依托珠海某隧道,建立炮孔间距分别为20 cm、30 cm、40 cm、50 cm的双孔模型,对数值模拟结果进行分析、研究,最终得到各工况下岩石破碎程度和各质点振速.相互对比分析得出:在同等药量下,炮孔间距为20 cm时的爆破成型效果最好,相比其他工况,其成...     

控制爆破在人工挖孔桩中的应用

人工挖孔桩在遇到岩石的时候,往往需要对其进行爆破施工,对控制爆破参数选择进行分析,并进行爆破网络的设计,从而达到预期爆破效果和节约材料的目的。     

高速公路利用石方高边坡槽挖爆破技术

结合工程实例,对预裂爆破技术和挤压爆破技术相结合的综合工艺在公路建设中的应用进行了研究和探讨,根据施工路段内的岩石构造特征、设计要求及施工条件,指出岩石开挖选用预裂爆破与深孔挤压爆破相结合的施工技术.     

岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

光面爆破空气垫层装药轴向不耦合系数理论研究

空气垫层装药是岩石光面爆破常采用的一种有效装药结构。预留的空气垫层降低了爆轰波和爆生气体压力，减少了其对孔壁岩石的冲击压缩破坏，延长了炮孔中爆生气体的存在时间，提高了爆生气体准静压力作用下岩石光面爆破断裂成缝的质量。根据光面爆破的要求，从理论上探讨了空气垫层装药结构主要参数轴向不耦合系数的计算方法，并以部分岩石为例进行了实例计算。在此基础上将此方法应用于工程实践，取得了良好的光面爆破效果。     

立井大直径中空孔直眼掏槽爆炸应力场数值模拟分析与应用

 为提高立井井筒坚硬岩石段掘进施工的爆破效率,设计在两阶同深桶形直眼掏槽中心布置一个直径100 mm的空孔。根据理论计算和工程实践经验选定掏槽爆破参数,一阶掏槽孔圈径1 700 mm、间距850 mm,二圈掏槽孔圈径2 500 mm、间距650 mm。运用有限元软件LS-DYNA对一阶掏槽孔爆破后的爆炸应力场进行数值模拟分析和爆破参数合理性验证。模拟结果表明：增加的中心大直径空孔能够提高爆炸应力波峰值和延长作用时间,空孔周围岩体中应力波峰值为无空孔时的2.2倍。同时,数值模拟还更直观地表现直眼掏槽时爆炸应力波在空孔处的应力叠加和反射拉伸现象、以及空孔具有的导向作用。在此基础上,进行立井坚硬岩石段掘进深孔爆破现场试验研究,取得在坚固性系数f = 12～17的岩石中平均炮眼利用率达91.7%、爆破块度均匀的良好效果。     

特硬岩立井掘进中合理炮孔深度的试验研究

本文探讨了在特硬岩立井掘进爆破中的掏槽方式以及现场应用情况。对2．3m炮孔爆破与2．8m炮孔爆破的掘进速度、直接作业成本作了定量的对比分析。试验表明：强力复合掏槽在特硬岩立井掘进爆破中应用效果良好;2．3m炮孔比2．8m炮孔爆破的掘进速度更高、作业成本更低。     

分层分段直眼掏槽在石灰岩井筒爆破中的应用研究

主要介绍了复式三角形分层分段直眼掏槽、复式正方形分层分段直眼掏槽以及孔内微差分段直眼掏槽在石灰岩井简爆破中的对比试验情况。结果表明：复式正方形分层分段掏槽在试验井筒中有最佳的爆破效果，并应用现有岩石动力学的成果分析了这一试验结果的原因。此外，试验还表明最佳的炮孔深度接近于井筒的半径。     

楔形掏槽微差爆破模型试验与分析

针对煤矿硬岩巷道掘进掏槽效果差、炮眼利用率低的难题,采用混凝土作为相似材料进行不同掏槽方式的模型试验研究。从掏槽体积、炮眼利用率、破碎块度等方面分析不同掏槽方式的爆破效果。采用楔形微差掏槽,中间炮眼比掏槽眼深200 mm,装1～2支药卷,其余长度用水炮泥和炮泥封堵,起爆雷管为2段。试验结果表明,中间炮眼增加自由面,有利于克服岩石的夹制作用,保证在掏槽眼先爆的基础上,把掏槽的残岩进一步抛出;微差爆破延长爆轰气体在炮眼内的作用时间,爆破的块度小,分布均匀,从而提高炮眼利用率和掏槽体积。     

双向聚能拉伸爆破新技术

针对光面爆破和当前聚能控制爆破存在的问题，以及某特大型硐室高强度岩体复杂断面成型爆破的工程现状，提出了双向聚能拉伸爆破新技术，对其特点、相应的聚能装置、聚能爆破机理、爆破力学行为及力学模型作了详细介绍。在单孔、联孔爆破的基础上，将该技术应用于硐室的方形断面和岩台成型爆破，收到了良好的爆破效果。该技术的开发与应用，为高强度岩体复杂断面成型爆破提供了一条高效低耗途径，有广阔的应用前景。     

砂土-微风化岩复合地层地下连续墙成槽技术

针对砂土-微风化岩复合地层地下连续墙施工中微风化岩成槽困难的问题,提出了对微风化岩石爆破预处理的方法。采用微差毫秒爆破方法对微风化岩中地下连续墙边界及内部依次进行爆破,确保开挖面平整并控制冲击波能量对周围区域的影响。针对岩面以上为砂层地质易塌孔的问题,采用在岩面以上加钢套管的方式钻孔、成孔后下PVC管进行保护。与传统挖槽方法相比,深孔爆破法不仅破岩效果好,且大大缩短了工期。     

爆破施工下小净距隧道围岩稳定性分析

针对辽宁地区某公路隧道的地质情况和施工条件,重点讨论了小净距隧道爆破过程对施工中围岩应力、位移和间距的影响。提出采用有限元法研究小净距隧道爆破施工过程中每步开挖围岩的应力应变状况,以此优化设计方案。爆破荷载以均布压力荷载的形式垂直于洞壁方向作用在隧道洞壁上。结合本隧道台阶法开挖过程提取8个关键点应力应变值。模拟结果显示,开挖前期拱腰受力明显,此后边墙底部应力增长迅速,两洞的内侧边墙应力都普遍大于外侧边墙应力,而应变矢量和最大处主要集中在洞顶。中岩柱左侧的应力应变始终大于右侧说明开挖过程对先行洞侧的中岩柱扰动影响最大,同时左洞中台阶开挖完毕后中岩柱两侧位移差逐渐增大说明中岩柱有膨胀破环的趋势。     

基于硬岩快掘技术的切缝药包聚能爆破试验研究

 为了检验切缝药包在岩巷快掘中的适应性及控制爆破参数,首先优化爆破参数的设计,使得炮眼利用率达到90%以上,达到快速掘进和光面爆破的要求,在爆破方案取得成功后进行全断面两边周边眼对比试验和全断面控制爆破对比试验,通过对比,全断面周边眼进行控制爆破眼痕率可以达到90%,同眼距情况下,0.5 kg为最优,装药量比光爆和原方案分别减少16.7%和37.5%;同药量情况下,眼距由原来的450 mm可以扩大到550 mm,提高22%以上。试验结果表明,简易切缝药包不仅成型好而且为企业创造较高的经济效益,适合在岩巷快掘施工中推广。     

超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究

通过对超前深孔顶板爆破防冲机理及影响因素进行分析,以典型的冲击危险矿井为背景,在对顶板强度及爆破参数现场实测的基础上,模拟分析不同爆破参数(爆孔夹角、装药段长度)下的超前深孔顶板爆破效果,并采用多种监测手段对其现场防冲效果进行检验。研究发现,在爆孔深度一定的前提下,相同的爆孔角度,随着装药量的增加,超前深孔顶板爆破的影响范围也随之增大,巷帮煤体内的高应力区范围及峰值应力梯度下降越明显。在相同装药量前提下,通过调整爆破角度下,可使巷帮的高应力向深部转移甚至消失,对深部煤炭的安全开采具有重要的意义。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。