椭圆双极线型聚能药柱爆炸理论及预裂爆破技术研究.pdf

中图分类号婴墨鱼2 U D C 鱼2 2 博士学位论文 学校代码l Q 5 塑 密级公五 椭圆双极线型聚能药柱 爆炸理论及预裂爆破技术研究 R e s e a r c ho nt h e o r ya n d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y o f E l l i p t i cB i p o l a r L i n e a rS h a p e dC h a r g e ’Sp r e s p l i tb l a s t i n g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 李必红 采矿工程 工程爆破与控制爆破 资源与安全工程学院 陈寿如教授 王小平教高 论文答辩日期丝 三5答辩委员会主 中南大学 2 0 13 年1 2 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 日期丛年堡月罩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 日期丝立年业月 日 导师签名鲢 日期一绷年卫月L 日 万方数据 椭圆双极线型聚能药柱爆炸理论及预裂爆破技术研究 摘要常规预裂爆破技术采用的是圆柱形不耦合装药结构，其爆炸能 量沿炮孔径向均匀分配，缺点明显。本文引入线型聚能爆破技术，设 计出了椭圆双极线型聚能药柱 简称E B L S C 药柱 ，该药柱能够合 理分配爆炸能量，增大预裂面作用力而减少对炮孔壁的损伤，达到增 大孔距、减少孔数和药量，从而实现经济、快速、安全和环保的目的。 本文主要在以下方面开展了研究。 1 论述了预裂爆破和定向线型聚能爆破技术的发展与现状、 聚能装药基本理论、聚能射流形成及侵砌过程。 2 建立了基于瞬时爆轰的E B L S C 药柱爆炸力学模型，对装药 有效部分及药柱结构参数开展了研究并编制了分析软件，完成了装药 结构参数的优化设计。 3 建立了E B L S C 药柱孔壁岩石应力计算模型，得出了聚能方 向孔壁岩石应力是短轴方向2 31 倍、常规圆柱形药柱1 4 ．4 倍的结论； 对外壳作用开展了研究，得出了外壳在缓冲峰压保护孔壁和增大气刃 延长裂隙方面有着显著的效果；对孔距进行了计算，得出了E B L S C 预裂爆破孔距是炮孔直径2 4 ．3 倍、常规预裂爆破孔距3 ．2 9 倍的结论。 3 开展了E B L S C 药柱1 ／3 缩比侵砌实验研究、不耦合系数测 定实验研究以及岩石爆炸应力测试试验研究。试验得出了E B L S C 药 柱具有明显的定向断裂特性、最佳不耦合系数为3 ．6 3 、岩石中相同距 离处聚能方向爆炸应力是短轴方向的2 0 ．7 倍的结论。 4 开展了E B L S C 药柱爆炸、侵砌及结构参数数值模拟研究。 系统的得到了射流的形成、运动和毁伤破坏现象及规律，得到了结构 参数中各因素的影响程度，并与理论分析和实验研究相比较，有力地 支持了相关研究。 5 详细给出了E B L S C 预裂爆破技术在江苏溧阳抽水蓄能电站 岩石开挖中的应用案例。对E B L S C 药柱的组装结构、技术要点、爆 破试验、爆破参数及爆效果等进行了分析探讨，并开展了E B L S C 预 裂爆破与常规圆柱形预裂爆破的对比试验，均取得了很好的效果。 本文为E B L S C 预裂爆破技术的理论分析、数值模拟、实验研究 和实地应用等提供了重要的参考，有利于该技术的全面推广应用。 图1 0 0 幅，表3 0 个，参考文献1 3 0 篇 关键词椭圆双极线型聚能药柱；聚能爆破；预裂爆破；应用研究 分类号T D ．8 6 2 万方数据 R e s e a r c ho nt h e o r ya n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y o f E l l i p t i cB i p o l a rL i n e a rS h a p e dC h a r g e ’Sp r e s p l i tb l a s t i n g A b s t r a c t T h eP r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n o l o g yr e l a t i n gt ot h ec y l i n d r i c a l n o n c o u p l i n gc h a r g i n gi so f t e nu s e di ns l o p ee x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi n o p e n p i tm i n i n ga n dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，w h o s ee x p l o s i v ee n e r g yi s d i s t r i b u t e de v e n l ya r o u n dt h eh o l ea n dw h i c hd e f e c ti so b v i o u s ． B a s e do nt h el i n e a rs h a p e dc h a r g eb l a s t i n gt e c h n i q u e ，t h eE l l i p t i c B i p o l a rL i n e a rS h a p e dC h a r g e r e f e r r e dt oa s E B L S C h a sb e e n d e s i g n e d ．B yw h i c h ，t h ee x p l o s i o ne n e r g yC a nb ea s s i g n e dr e a s o n a b l y , t h e p r e s p l i tf a c ef o r c ec a nb ei n c r e a s e d ，t h ed a m a g eo nt h es l o p ec a nb e r e d u c e d ，t h ep i t c hC a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h en u m b e ro fh o l e sa n d e x p l o s i v e sc a nb er e d u c e d ．T h e r e f o r e ，t h ep u r p o s eo fe c o n o m i c ，f a s t ， s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc a i lb er e a c h e d ． T h ef o l l o w i n gr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ． 1 n ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no ft h et e c h n o l o g yo f P r e - s p l i t t i n gb l a s t i n ga n dL i n e a rs h a p e dc h a r g eb l a s t i n g ，t h eb a s i ct h e o r y o fs h a p e dc h a r g e ，t h ef o r m a t i o na n dp e n e t r a t i o np r o c e s so fs h a p e dje t w e r ed i s c u s s e d ． 2 B a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sd e t o n a t i o n ，t h eE B L S Ce x p l o s i o n m o d e lw a se s t a b l i s h e d ．1 1 1 ee f f e c t i v ep a r to ft h ec h a r g ea n dt h eg r a i n s t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r es t u d i e d ．A n a l y s i ss o f t w a r ew a sc o m p i l e d ．T h e c h a r g es t r u c t u r ep a r a m e t e rd e s i g nw a so p t i m i z e d ． 3 T h eE B L S Ch o l er o c ks t r e s sc a l c u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ， w h i c hc o n c l u d e st h a tt h er o c ks t r e s so ft h el o n ga x i sd i r e c t i o no ft h e h o l e ’Ss u r f a c ei s2 31t i m e st h es h o r ta x i sa n d1 4 ．4t i m e st h ec y l i n d r i c a l e x p l o s i v e ．n er o l eo ft h es h e l lw a ss t u d i e d ，w h i c hC a ns i g n i f i c a n t l y b u f f e rp e a kv o l t a g e ，p r o t e c tt h eh o l e ，a u g m e n tt h ee d g e ，a n de x t e n dt h e c r a c k ．T h ep i t c ho fE B L S C p r e s p l i tb l a s t i n gi sc a l c u l a t e d ，w h i c he q u a l st o 2 4 ．3t i m e st h eh o l ed i a m e t e ra n d3 ．2 9t i m e st h a to ft h ec o n v e n t i o n a l p r e s p l i t t i n gb l a s t i n g ． 4 T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ee x p l o s i o ne f f e c to f1 ／3E B L S C ， t h en u m b e ro fn o n c o u p l i n gm e a s u r e m e n ta n dt h er o c kb l a s t i n gs t r e s st e s t w e r ec a r r i e do u t ．T h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，w eo b t a i n e dt h a tt h eE B L S C I I I 万方数据 t e c h n o l o g yh a so b v i o u sd i r e c t i o n a lf r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h a tt h e b e s tn o n c o u p l i n gc o e f f i c i e n ti s3 ．6 3 ，a n do nt h es a m ed i s t a n c e ，l o n ga x i s d i r e c t i o no fe x p l o s i o ns t r e s si s2 0 ．7t i m e so fs h o r ta x i sd i r e c t i o n ． 5 T h er e s e a r c ho nt h eE B L S Ce x p l o s i v ea n da c t i o n ，a n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sh a sb e e nc a r r i e do u t ．I t h a v eb e e nc o n c l u d e ds y s t e m a t i c a l l yt h a tt h eje tf o r m a t i o n ，m o v e m e n t ，a n d m u t i l a t ed a m a g ep h e n o m e n o na n dl a w , a n dt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u s f a c t o r sa m o n gs t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，w h i c hw a sc o m p a r e dw i t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ． 6 T h ea p p l i c a t i o nc a s eo nJ i a n g s uL i y a n gp u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o nr o c ke x c a v a t i o ne n g i n e e r i n ga d o p t e dE B L S Cp r e s p l i t t i n gb l a s t i n g t e c h n o l o g y w a se x p o u n d e di nd e t a i l ．T h ea s s e m b l ys t r u c t u r e ，m a i n t e c h n i c a lp o i n t s ，b l a s t i n gt e s t ，b l a s t i n gp a r a m e t e r s ，b l a s t i n ge f f e c ta n dS O o n ，a b o u tE B L S Ct e c h n o l o g y , h a db e e na n a l y z e d ．C o n t r a s tt e s tb e t w e e n E B L S Cp r e - - s p l i t t i n gb l a s t i n ga n dc o n v e n t i o n a lc y l i n d r i c a lp r e - - s p l i t t i n g b l a s t i n gw a sc a r r i e do u t ，a n dg o o dr e s u l t sw e r ea c h i e v e d ． I nt h i sp a p e r , t h ei m p o r t a n tr e f e r e n c eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n df i e l da p p l i c a t i o n ，e t c ， a b o u tE B L S Cp r e - s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n o l o g yi s p r o v i d e d ，w h i c hi s c o n d u c i v et ot h ec o m p r e h e n s i v ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h i s t e c h n o l o g y ． K e y w o r d s E l l i p t i cB i p o l a rL i n e a rS h a p e dC h a r g e E B L S C ；C u m u l a t i v e b l a s t i n g ；P r e - s p l i t t i n gb l a s t i n g ；A p p l i c a t i o n r e s e a r c h C l a s s i f i c a t i o n T D ．8 6 2 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 预裂爆破概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 。1 ．2 成缝机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．1 ．3 主要参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．1 ．4 操作要领⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．1 ．5 质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．2 定向断裂爆破技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．2 ．1 定向断裂爆破发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．2 定向断裂爆破方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．2 ．3 定向断裂爆破现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3E B L S C 预裂爆破技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．1 研究意义和依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．3 ．2 研究途径与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．4 本文的主要研究工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 线型聚能定向断裂基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 聚能效应及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．1 聚能效应和聚能现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．2 聚能效应在军事上的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．1 ．3 聚能装药在工业上的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．2 聚能射流的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．1 定常理想不可压缩流体理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．2 准定常理想不可压缩流体理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 聚能射流的侵彻⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3 ．1 射流侵彻过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3 ．2 射流侵彻理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 线型聚能定向裂缝形成过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 万方数据 3 椭圆双极线型聚能预裂爆破理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 瞬时爆轰基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．1 瞬时爆轰假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．2 爆轰产物膨胀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 ．3 爆轰产物散射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 药柱装药利用率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 药柱爆炸分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 。2 聚能方向装药边界函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．3 边界函数回归模型参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．4 聚能方向装药有效部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．5 聚能方向装药利用率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 。2 。6 计算分析软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯二⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．7 应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 装药结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．1 药柱结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．2 最佳长短轴比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．4 药柱外壳作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 ．1 药柱外壳对爆炸作用的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 ．2 炮孔内高压气体成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．5 孔壁最大应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．5 ．1 聚能方向炮孔处岩石应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．5 ．2 短轴方向炮孔处岩石应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．5 ．3 圆柱形装药炮孔处岩石应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．5 ．4 分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．6 相邻炮孔间距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 椭圆双极线型聚能预裂爆破实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．1 实验概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．1 ．1 实验研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．1 ．2 实验设计及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 缩比实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．1 实验准备和要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．2 实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．3 不耦合系数实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 V 1 万方数据 4 ．3 ．1 不耦合系数确定准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．3 ．2 不耦合系数实验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．3 ．3 最佳不耦合系数确定⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 4 ．4 岩石应力测试实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．4 ．1 压力传感器测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．4 ．2 应力实验测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 5 椭圆双极线型聚能预裂爆破数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．1 动力有限元软件L S ．D Y N A 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．2L S ．D Y N A 计算材料本构和状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 5 ．2 ．1 欧拉材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 5 ．2 ．2 拉格朗日材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．3 射流形成的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．3 ．1 影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 5 ．3 ．2 初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．3 ．3 模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．4 射流侵彻岩石的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．4 ．1 岩石侵彻数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．4 ．2 药柱参数数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．5 数值模拟结果与实验结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 5 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 6 6 椭圆双极线型聚能预裂爆破工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 ．2 技术要点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 ．2 ．1 药柱组装结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 。2 ．2 聚能槽对中技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 6 ．2 ．3 成孔及装药引爆技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 6 - 3 爆破试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 6 ．3 ．1 对比试验参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 0 6 ．3 ．2 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 6 ．4 爆破参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 3 6 ．5 应用效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 6 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 V Ⅱ 万方数据 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 9 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 7 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 一、发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 二、承担的科研⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 三、获得的奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 至l [ 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 4 V I I I 万方数据 博士学位论文 1 绪论 1绪论 炸药爆炸时，瞬间生成温度达数千摄氏度、压强达数万兆帕的气体产物，该 气体产物会迅速向外膨胀，在周围介质中激发产生强压缩波，引起邻近介质的状 态参数 压力、密度和温度等 突跃升高【I ．2 】。装药对介质 或目标 的这种作 用被称为装药爆炸作用，如压缩，粉碎，松动，切割等。与普通装药有所不同， 聚能装药爆炸产生的爆轰波从聚能罩顶部扫至尾部时，以极大的速度挤压罩材使 其向轴线汇合、变形并碰撞，从而形成高速连续射流【3 J 。线型聚能装药则能形成 象刀片一样的射流，将其引入到预裂爆破工程应用中，能够产生理想的切割效果， 达到常规圆柱形不耦合装药所无法达到的效应。 1 。1 预裂爆破概述 在露天矿、建筑物基坑、路堑、沟槽、隧道、城市改扩建及地下工程等石方 开挖爆破时，要求开挖的边界与设计轮廓线吻合，尽量减少超挖或欠挖现象，同 时要求尽量减少开挖保留面的完整一I 生t 4 1 。于是，预裂爆破技术就应运而生了。 预裂爆破是在2 0 世纪5 0 年代开始才发展起来的、在光面爆破基础上演变而 成的一门现代爆破技术。到2 0 世纪6 0 年代以后，预裂爆破在许多国家被广泛地 采用，特别是在一些重要工程开挖中迅速得到推广应用，其应用规模也日益扩大。 1 ．1 ．1 基本概念 沿开挖边界布置密集炮孔，采用低猛度或选择不耦合结构装药，在主爆孔之 前起爆，形成一条介于主爆区和保留区之间预裂缝，以减弱主爆孔爆破对被保护 岩体的破坏并形成平整轮廓面的爆破作业，称为预裂爆破，如图1 ．1 所示。 预裂孔主爆孔辅助孔 ≤100I 。c r ／oO 0 ‘ ’1 0 ．0 0 1 00 60 0100 O ．I 童 o o o o 堂 9 0 0 0 0 图1 ．1 预裂爆破炮孔布置 万方数据 博士学位论文1 绪论 1 ．1 ．2 成缝机理 预裂爆破技术自应用以来， 1 应力波干涉破坏理论 1 9 6 2 年，D u V a l l 和P a n i e 提出“相邻炮孔产生的应力波相 互干扰”的理论。 该理论认为如果相邻两孔 同时起爆，爆炸应力波会以炮孔 为中心呈放射状向外传播。由两 孔出发，沿径向扩展的应力波在 炮孔连线正中汇合，如图1 ．2 所 示，两应力波汇合处的合成应力 垂直于两孔连心线向外。当合成 应力超过岩石的动态抗拉强度 时，便会在两孔连心线中点首先 产生裂缝，然后，沿着连心线向 先后出现过三种主要作用机理。 图1 - 2 应力波叠加示意图 两炮孔方向扩展，最后形成一条断裂面。因此，两孔轴线的连接面成为受拉面， 整个拉应力的作用使岩体沿此面断裂。 2 以高压气体为主要作用理论 以山口梅太郎等人为代表，虽然也认可爆炸应力波的作用，但是认为爆炸形 成预裂缝最主要原因是爆生气体作用。该理论强调了不耦合装药结构的缓冲作用 和空孔的导向作用，认为空气间隙的存在极大地缓冲了孔壁的峰值超压，导向空 孔的存在有利于形成应力集中。首先，在孔壁上形成拉伸裂隙，然后，这些裂隙 顺着炮孔连线伸展，最终，贯通形成一个光滑的预裂爆破面。 3 应力波与高压气体共同作用理论 H ．K ．K o t t e r 等人认为预裂缝是由应力波和爆生气体相互作用的结果。该理论 认为首先是应力波作用在孔壁产生初始径向裂缝，随后是爆生气体准静压作用 使得径向裂缝延伸扩展。当相邻两孔起爆时，不管是同时还是微差，都会因应力 集中而在炮孔连线出现裂缝，并且发展得最快。因此，炮孔连心线方向也就成为 裂缝继续扩展的最优方向，而其它方向的裂缝发展甚微。从而保证了裂缝沿着连 心线方向将岩体裂开。这种解释比较符合实际情况。 目前，关于预裂爆破成缝机理的认识基本得到了统一，一般认为是爆炸应力 波和爆生气体共同的作用结果【5 】o2 0 世纪8 0 年代以后，爆破成缝机理研究更深 入，主要表现在对岩体结构面的影响、特殊结构及孔壁刻槽等技术的研究【6 。7 J 。 万方数据 博士学位论文1 绪论 旨在优化预裂爆破质量、减少炮孔数目等方面。除了基本理论的研究以外，这些 特殊条件下的爆破参数计算方法亦将逐渐得到解决，并将付诸实施和得以推广。 1 ．1 ．3 主要参数 影响预裂爆破效果的因素相当多，却又相当复杂，很多爆破工作者都对其开 展了研究分析，并且不断地积累经验，共同归纳出了其中最主要影响因素的经验 公式‘8 ’9 1 。这些公式基本上是以爆破区岩石性质 o r 、炸药密度 助 、不耦合系 数 k d 、炮孔间距 口 、炮孔直径 D 或炮孔半径 ，． 来确定线装药量的。 1 孔深 一般情况下，预裂孔的孔深 三 应达到开挖层底高程。实践表明，在正常 情况下，预裂爆破形成的预裂面比孔底要超深0 ．5 ～1 ．5 m 。 2 孔径 预裂孔的孔径 D 主要与孔距 口 和不耦合系数 k d 等有关。但在施 工现场，受钻孔机械限制，孔径往往无法过多选择。如，一般浅孔预裂爆破用手 持式凿岩机钻孔，孔径约为4 0 - - 一4 5 m m ；深孔预裂爆破的孔径通常为6 0 - ～1 2 0 m m ， 亦有采用更大孔径的，例如孔径可达2 0 0 m m ，甚至更大，但这时凿岩量增大， 不够经济，而且不耦合系数也难以选择在最佳范围之内。 3 不耦合系数 不耦合系数 k 可用下列经验公式确定 k 。 1 1 8 ．3 2 0 ．- 0 - 2 6 1 ．1 式中争一岩石极限抗压强度 1 0 5 P a 。 一般情况下，合理取值范围为l q 2 “ - - 4 ，即D 2 ～4 d ，式中d 为药径。 4 孔间距系数 孔间距系数 E 为孔距 口 与孔径 D 的比值。理论研究与工程实践均 表明，小孔距、分散装药的预裂爆破效果更好，E 7 ～1 2 比较合适 5 孔口填塞长度 孔口填塞的长度 三J 与密实度，应该以能够在地表产生预裂缝、又不使地 表岩石产生漏斗为原则，通常由现场单孔及排孔试验确定。一般地，填塞长度 三J 为0 ．6 - - - 1 ．5 m ，孔径小、岩石完整时取小值，否则取大值。 6 预裂爆破起爆时差 同一排预裂孔起爆时差越短，预裂效果就越好。有些工程，为减少爆破振动， 一排预裂孔需分段起爆，段差时间不宜过长，可取2 5 m s 。 预裂孔一般应在主爆区开挖爆破之前起爆，提前时间以5 0 “ - - 1 0