炮孔双介质不耦合装药断裂控制爆破理论研究与数值模拟

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本文根据断裂控制爆破的理论与实践，在现有爆破理论和爆破技术的基础上，结合空气隔层爆破的特点和水压爆破的特点，在分析总结前人研究结果的基础上，提出了一种新型的断裂控制爆破方法——双介质不耦合爆破法(即在炮孔内同时利用水和空气两种不同介质的爆破方法)，在理论研究、实验方案的设计和数值模拟三个方面对双介质不耦合爆破法进行了具体的研究，通过这三个部分彼此验证、补充和完善，对双介质不耦合爆破法有了更深一步的了解。双介质不耦合爆破法的装药结构采用径向不耦合装药，利用自行研制的异型爆破管将水介质和空气介质隔离开来，水介质对准将要破碎岩石的一侧，空气介质对准预留围岩一侧。该爆破法的理论依据及目的是：在炮孔中同时采用水和空气两种不同介质，利用水介质传递能量效率高，空气介质具有缓冲作用的特点来改变爆炸能量均匀分布于孔壁的状态；从而达到破坏水介质一侧岩石，且尽量减少空气介质一侧岩石爆破损伤的目的。同时由于水介质一侧炸药能量集中，岩石受力较大，并且岩石易受拉破坏，有利于贯穿裂缝的形成。在理论上，论文首先从断裂力学的角度出发，对定向断裂控制爆破成缝理论进行了研究，并应用损伤断裂理论，研究了成缝机理，建立了爆破过程裂纹的起裂、扩展和止裂判据，得出了水和空气爆破的主要参数计算公式；同时本文对炮孔水压爆破和空气介质不偶合装药爆破冲击波的传播及其效应也作了较为详尽的研究，分别就水和空气两种介质不偶合装药爆破后对孔壁的冲击压力和准静态压力进行推导和对比，对不同耦合介质的爆炸能量传输进行推导。还对冲击波的产生，及在炮孔内介质中的传播、反射和透射以及对周围岩石的作用过程都进行了详细的介绍。在阳曲县红崴山采石场爆破实验方案的设计上，按照双介质不耦合装药爆破作用原理，设计制作了异型PVC管和橡胶塞，在实验现场，爆破后预留面非常整齐，没有明显破坏情况，炮眼间距和抵抗线都得到了提高，这也充分验证了理论的正确性。在数值模拟方面，为客观再现爆破应力波扩展全过程，深入认识爆破动载作用下岩体的断裂情况，验证双介质不耦合爆破法的理论分析，利用了有限元计算软件一-FEMB27建立了物理模型，并用LS-DANY960软件的求解器和后处理器对双介质不耦合爆破过程进行了数值模拟。数值模拟结果：①炸药爆轰波在水和空气交界处的混凝土中首先形成裂纹；②炸药爆轰波在水和空气交界处的混凝土中的引起的应力发生周期变化，即空气耦合介质一侧在爆炸后受力要比水介质一侧要早，然后是两者相等，最后是空气耦合介质一侧在爆炸后受力要比水介质一侧大并且一直延续到爆破过程的完成；③炸药爆轰波在通过不同的耦合介质后引起混凝土的受力情况存在明显差别。对输出结果进行了相应的理论分析。总之，双介质不耦合爆破法融合了炮孔水压爆破和空气不偶合装药爆破的优点，是一种可操作性强、成缝效果好的断裂控制爆破方法。它能够有效控制爆炸能量的释放过程及作用方向；起到破坏一侧围岩而保护另一侧围岩的作用；减小震动和粉尘、提高炸药威力、提高成块率，具有广阔的应用前景。

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作者
宇文惠鑫;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科采矿工程
授予学位硕士
导师姓名李义;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TD235.4;
关键词
双介质不耦合; 控制爆破; 成缝机理; 数值模拟; 断裂损伤;

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