不耦合装药条件下岩石爆破的理论研究和数值模拟.pdf

武汉科技大学硕士学位论文不耦合装药条件下岩石爆破的理论研究和数值模拟姓名：史维升申请学位级别：硕士专业：采矿工程指导教师：段卫东20041115武汉科技大学硕士学位论文第1 页摘要本文主要对径向不耦合装药结构条件下炸药破岩机理进行了分析，从理论研究、数值模拟和试验方案的设计三个方面对闯题的解决展开了具体的研究，通过这三个部分彼此验证、补充和完善对不耦合装药爆破理论有了更深一步的了解。在理论上，通过对岩石在爆炸载荷下的破坏机理及径向不耦合装药爆破理论的研究，根据弹塑性力学、岩石断裂力学及损伤力学原理，引入能量有效转化的思想，结合前人的研究思路，推导出了径向不耦台装药条件下炸药爆炸后，岩体的各个破坏范围、能量消耗及空气层“储能”的计算公式，进一步完善了对复杂地质条件下使用不耦台装药爆破的理论研究。数值模拟方丽，为客观再现爆破应力扩展全过程，深入认识爆破动载作用下裂隙岩体的破碎情况。验证不耦合装药结构的理论分析，利用了大型有限元计算软件一 N S Y S 8 0 建立了数学模型，并用L S D A N Y 9 7 0 软件的求解器和后处理器对空气间隔径向不耦合装药和相同药量的密实装药台阶爆破作用过程进行了数值模拟，对输出结果进行了相应的理论分析。在岩峰石灰石矿的爆破实验方案的设计上，首先确定了爆破优化的技术措施，然后根据论文研究得到的理论和经验公式进行了参数设计。同时也应用数值模拟对参数的设计进行了粗略的检验。关键词：不耦合装药空气冲击波爆炸能量岩石裂纹A N S Y S L S-D Y N A武汉科技大学硕士学位论文第1 I 页A b s t r a c tT h et h e s i sf i r s ta n a l y s e sd e s t r o y e dr o c kc a u s a t i o no fe x p l o s i v ei nt h ed i a m e t e rn oc o u p l i n g F r o mt h e o r ys t u d y、n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tp r o j e c t，s t u d yc o n c r e t e l yf o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e m A n dt h et h r e ep a r t sa t 五l m se a c ho t h e r，s u p p l y i n ga n dd e v e l o p i n gt o g e t h e rW eC a nk n o wm o r ed e e p l ya b o u tt h eb l a s t i n gt h e o r yo fe x p l o s i v ei nt h ed i a m e t e rn oc o u p l i n gf r o mt h et h i n ep a r t s I ti si m p o r t a n tf o rf a c t u a lp r o d u c t i o nb yt h eb l a s t i n gt h e o r yi nt h i sp a p e r I nt h e o r yr e s e a r c h，t h et h e s i ss t u d yt h ed e s t r o y e dr o c kc a u s a t i o ni nb l a s t i n gl o a da n dt h eb l a s t i n gt h e o r yi nc o n d i t i o no fe x p l o s i v ei nt h ed i a m e t e rn oc o u p l i n g O nt h eb a s i so ft h ee l a s t i c i t y、p l a s t i c i t y、d a m n i f i c a t i o nt h e o r ya n dr o c kR u p t u r em e c h a n i c s，t h ee x p r e s s i o n so fb l a s t i n gb o u n d s、e n e r g yc o n s u m ea n ds a v i n ge n e r g yb ya i ra r o u n dc h a r g ei se d u c e d，w h i c h c a ns u p p l ym o r ed e v e l o p m e n to ft h eb l a s t i n gt h e o r yb yu s i n gc i r c u l a rn oc o u p l i n gc o e f f i c i e n t A sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n，t h ep a p e rh a sb u i l ti t so w nm o d e lo nt h eb a s i so fA N S Y S 8 0p r e p r o c e s s i n ga n da n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l ta b o u tt h ec o u r s e so ft h er o c kb l a s t i n gp r o c e s si nw h i c hd i a m e t e rn oc o u p l i n gc h a r g i n ga n dc o u p l i n gc h a r g i n gi ns a m ec h a r g eo nt h eb a s i so fL S-D A N Y9 7 0s o l v e r sa n dp o s t p r o c e s s i n g，a si sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h ec r a s hs t a t u sb yb l a s t i n gs t r e s si nc r a n n y r o c kb o d ya n dt ov a l i d a t et h et h e o r y o f d i a m e t e rn oc o u p l i n gc h a I g i l l gb ya i r A tt h ea s p e c to fe x p e r i m e n tf o rY a n f e n gL i m e s t o n eM i n eo fL i n g x i a n g，a tf i r s tc o n f i r mb e t t e rb l a s t i n gp a r a m e t e r，i ns u c c e s s i o nt h ep a r a m e t e r sa r ed e s i g n e db yt h e o r ya n de x p e r i e n c ee x p r e s s i o n s T h eo p t i m i z e db l a s t i n gp a r a m e t e ri sc o n f i r m e da n ds u p p l i e df a r t h e rb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n K e y w o r d s：D c e o u p l i n gC h a r g eA i rS h o c kW a v eB l a s t i n gP o w e rR o c kC r a c kA n s y s L s-d y n a武汉科技大学硕士学位论文第1 页1 1 问题的提出及研究目的和意义第一章绪论目前不耦合装药在岩石爆破中已经被广泛的应用【I】，其主要有以下的特点：延长炸药对岩石的有效作用时间，更充分的利用炸药的爆炸能量，减少爆破震动，节省炸药。不耦合装药方式主要有以下两种：径向不耦合装药与沿炮孔方向的轴向不耦合装药。在实际采用不耦合装药爆破中，根据实际情况，往往采用其中的一种或二者相结合的形式。现在对不耦合装药的理论研究尽管很多，但有关不耦合装药作用机理的理论还不太成熟。在实际采用不耦舍装药的爆破中，特别在常见的多裂隙的结构岩体中，关于不耦合装药的几项重要参数确定，仍主要以经验公式为主。依据经验公式确定的爆破参数往往合理参数有一定的误差，这样就造成许多不耦合装药爆破的效果并不明显。因此，有必要对不耦合装药的爆破机理进行进一步的研究，另外还要探索一种有效的方法来解决多裂隙的结构复杂岩体中对不耦台装药参数的选取及优化问题。1 2 国内外有关不耦合装药的研究概况1 2 1 裂骧岩体爆破破碎机理研究的理论模型与评述(1)B C M 模型B C M 模型删是由美国L G M a r g o l i n 等人提出的一种作为各种脆性和半脆性材料的层状裂缝模型。它以g r i f f i t h 裂缝传播理论为基础说明岩体爆破枫理，应用统计方法计算单元岩体内的裂缝数目及其分布状态。该方法认为，单元岩体内的裂缝半长大于C 的裂缝数目分布函数为：V=o 畸c c J 式中：o 为单位体积内裂缝总数，石为原始裂缝分布的特征长度。B c M 模型中强调岩体中原始裂缝对爆破块度分布的影响，其缺点是没有考虑未沿原始裂隙扩展的新鲜断裂面对岩石破碎的影响，而且在实际应用中的我们很难准确确定岩体中的原始裂缝地数量、长度。(2)N A G F R A G 断裂模型1 9 8 3 年，S t u a rM c h u g h 通过研究，认为应力波是促使岩石中原有裂纹激活及扩展形成裂缝的主要原因，爆生气体压力引起裂纹迸步扩展。在此基础上，S t u a rM c h u g h 提出爆炸作用下岩石破坏范围和破坏程度取决于受应力波作用激活的裂纹数量和扩展速度，并将计算机程序和模型研究结合起来而建立了N A G F R A G 断裂模型f 3】。武汉科技大学硕士学位论文(3)p K 模型第2 页G r a d y 和K i p p 于1 9 8 0 年提出了岩石爆破各向同性损伤模型，即K i p p&G r a d y 模型嘲。K i p p G r a d y 模型主要研究的是岩石的拉伸损伤，该模型认为，岩石的动态断裂应力和断裂能等与拉伸应变率密切相关。岩石中含有的大量随机分布的微裂纹，被爆破载荷作用所激活的裂纹数量服从两参数的W e i b u l l 分布，可用一个标囊来表示被拉应力激活的钱贝状裂纹所引起的岩石强度的变化。G r a d y 和K i p p 的模型，明确引入了损伤系数的概念，提供了一个直接、定量的方法来确定岩石破碎过程和岩石平均碎块尺寸，并能预测介质已产生破坏的大致范围。(4)爆破块度损伤模型(B D M 模型)爆破块度损伤模型【4】认为岩石破碎主要是由于准静态压力的作用，仅用一个系数反映应力波的破岩作用。提出了岩体破碎比的概念，在此基础上推导出块度是由不同单元的岩体破碎比率决定。并由此得到第i 单元岩体爆破后的块度分布，其分布函数为：Y j(I，=F o l K(i)X，(i)，式中的Z(i)，X，(i)为第i 单元的岩体破碎比率和块度。裂隙岩体爆破的研究难点在于岩体的不连续性、各向异性和岩体破裂过程的复杂性。尽管随着损伤力学和分形理论的不断深入，人们做了许多有关裂隙岩体爆破的研究，如岩石爆破分形损伤模型研究【5 l、岩石爆破损伤断裂的徽观机理辩研究、爆破断裂的分形研究问、分形维数的研究咧等，提出了损伤度 g H”】、分维值等概念，并给出了多种节理岩体