炮孔间成缝机理的计算研究

发布时间：2020-10-12 23:53

　　由于岩石爆破作用过程的复杂性,迄今为止,岩石爆破中双炮孔爆破的成缝机理问题仍是一个值得探讨的有益课题。科学研究中,常用的方法有理论分析和实验研究,但是这两种方法对本课题研究仍存在较多不足:完全的理论分析只适用于一些简单和理想化的问题,对于复杂问题,不恰当的简化分析很容易产生错误的结论;实验研究中由于爆炸过程的瞬时性、被作用介质的复杂性以及测试技术的局限性使得研究人员无法得到充足的空间时间数据,如研究人员最为关心的岩石应力与应变的全场全时程数据。数值模拟研究方法在以上问题中均具有充足的优势,且通过该种方法能够更加全面直观地对双炮孔动态成缝过程进行观察。需要指出的是,数值模拟研究过程中,较多因素会对结果产生影响,甚至不同的模拟方案也会使计算结果产生较大的差距,这也是较多研究人员对数值模拟研究方式不能完全认同的原因。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟技术已经成为科研中的主要研究手段之一,为了得出具有研究价值的结果,必须对模拟过程中涉及的问题进行系统研究,而对于双炮孔成缝问题研究现状,这一工作仍具有重要意义。本文研究了传统爆破成缝理论,结合前人所证实的炮孔间裂缝最先在孔壁处生成的事实,通过理论分析与模拟验证相结合的方式阐述了传统应力波成缝机理的缺陷;选取了三种常用的岩石本构模型,对比了不同本构模型下岩石的动态响应;通过LS-DYNA建立无限岩石介质中孔间距为10倍孔径的双炮孔模型,对炮孔连线及连线中垂线上岩石单元的应力时程曲线进行分析,得出了这两条线上岩石的最大主应力、最大剪应力等的应力峰值分布走势;设计了拉、压、剪切三种失效形式正交组合的7组模拟试验,得出了与实际相符的裂缝,分析各组裂缝形态给出了炮孔间岩石的失效形式;研究中发现,在炮孔间裂缝形成前期,即炮孔间裂缝最初在孔壁处形成时,双孔所生成的应力波并未相遇,两孔应力波相遇一定时间后炮孔间裂缝互相贯穿,进一步对炮孔间裂缝贯穿过程进行研究后得出:相邻炮孔应力波在裂缝尖端发生反射并产生拉伸破坏作用,该作用促进了炮孔间裂缝的相互贯穿。
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD235
【部分图文】：

应力作用,炮孔,应力波

。作用理论与爆生气体作用理论均具有一定片面性，而综合前两种理论的应力波爆生气体??共同作用理论在一些定量问题的描述上仍显得比较模糊。但是为了更好更深入地对岩石??爆破理论进行完善，对此三种经典理论进行了解仍具有必要性。??２．１岩石爆破成缝理论??（１）传统应力波作用理论??Ｗ．Ｉ．Ｄｕｖａｌｌ与Ｒ．Ｓ．Ｐａｉｎｅ等人认为，炮孔间贯穿裂缝的形成是由相邻双炮孔内装药激??起的应力波沿炮孔径向传播并在炮孔连心线中点与连心线垂直的面上产生切向拉应力??叠加引起的［２７＞，如图１中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示：（ａ）中假设孔ＩＩ内未装药，孔Ｉ内炸药爆炸??后应力波沿孔径成发散状向外传播，在应力波作用下的岩石受到径向压缩和切向拉伸，??（ｂ）同理，（ｃ）为双炮孔同时装药起爆后生成的应力波沿双孔连线相向传播并在连线中点汇??聚的情况，此处拉压应力均达到最大值，当拉伸应力达到岩石容许应力时，岩石便产生??裂缝。现将（ａ）、（ｂ）两种情况进行叠加可以发现当两孔应力波沿与双孔连线呈一定角度相??遇时，应力互相抵消。此理论认为当相邻两炮孔严格同时起爆时，裂缝最初是在两炮孔??中间产生。??

压缩波,自由端

图３压缩波在自由端的反射??Ｆｉｇ．３?Ｔｈｅ?ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ?ｗａｖｅ?ａｔ?ｆｒｅｅ?ｅｎｄ??现在讨论弹性波传至岩石自由端。设在图３所示的直杆ＡＢ中有一幅值为－Ｃ７。的右??行压缩波以Ｃ。的速度传播，传至Ｂ端时，为满足自由边界应力为０的条件，会反射一大??小相同速度相反的左行拉伸波与右行压缩波在Ｂ点相遇，如图３?（ｂ）所示，根据式Ｐ－１６），??可得自由端处??ａ?＝?＋?ａ２?＝?－ｃｒ〇?＋ａ０?＝０?（２－１７）??ｕ?＝?ｕｌ＋ｕ１＝?－（－〇■〇?／?ｐ０ｃ０?）?＋?〇？〇／?ｐ〇ｃ〇?＝?２ｕ０?（２－１８）??同理，当上述右行波为幅值为＋?（Ｔ。的拉伸波时，则自由端处会反射一左行压缩波。??２．３炸药在无限岩石中爆炸破坏区域??如果球形装药的最小抵抗线Ｆ大于该药量下的临界抵抗线％，则起爆炸药后，炸??药的破坏作用只发生在岩体内部，而在自由面上不会出现破坏现象，该种情况相当于装??药在无限介质中爆破，这种作用称为炸药的内部作用。??当装药只发生内部作用时，爆炸作用区随着与装药中心距离的增大可以分为压碎??区、裂隙区和震动区

示意图,内部作用,示意图,装药