两孔同时起爆时岩石爆破裂纹区贯通的数值模拟

论文摘要

爆破载荷作用下岩石的损伤与破坏过程是一个非常复杂的过程。两孔同时起爆时爆破损伤区发展规律研究对于认识光面爆破机理具有重要的理论意义。在充分认识岩石爆破损伤断裂机理的基础上,借助于数值模型模拟岩石爆破损伤的复杂过程,进而分析两孔同时起爆时爆破损伤区的贯通规律,是爆破理论与技术发展的主要课题。本文以岩石损伤理论为基础,研究岩石在爆炸应力波作用和爆生气体准静态作用下的损伤断裂机理。考虑岩石的非均匀性,建立了一个从细观层次上分析岩石破裂过程的非均匀模型,在此基础上考虑耦合装药时不同爆破应力波波形、不同孔间距、地应力及孔周切缝等四种情况下的爆破损伤的数值模拟,取得的研究成果包括：(1)本文将岩石的爆破损伤视为两个阶段,即爆炸应力波作用下的动态损伤阶段和爆生气体准静态压力场作用下的损伤阶段,并据此提出了相应的数值模拟模型,实现了岩石爆破损伤全过程的数值模拟；(2)研究了不同孔间距工况下两孔同时起爆时孔周损伤区发展及其相互贯通的基本规律,获得了使两孔周围损伤区相互贯通时的炮眼间距,该间距与前人的理论结果相一致;(3)数值模拟了不同地应力条件下岩石中双孔同时爆破时孔周损伤区的发展过程,证实了在初始地应力较大方向的裂纹扩展程度远远优先于另一方向,分析了不同地应力条件下孔周裂纹扩展及贯通的机理；(4)对炮孔孔壁在对称切缝条件下的爆破损伤区发展过程进行了数值模拟,再现了切缝药包爆破控制裂纹扩展方向的基本现象,探讨了切缝爆破裂缝扩展予以控制的力学机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的依据和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 岩体爆破模型研究
• 1.2.2 爆破成缝机理的研究
• 1.3 本文研究思路及研究内容
• 第2章 岩石动态损伤破坏模型
• 2.1 岩石的力学性质
• 2.1.1 岩石的基本特性—非均匀性
• 2.1.2 非均匀性对岩石强度的影响
• 2.1.3 用Weibull分布实现非均匀性
• 2.2 爆炸荷载下岩石的力学特性
• 2.2.1 爆炸破裂区的破坏过程
• 2.2.2 爆破应力波
• 2.2.3 爆炸应力波的传播特征与衰减规律
• 2.2.4 爆生气体的膨胀压力
• 2.3 岩石动态损伤破坏模型
• 2.3.1 力平衡方程
• 2.3.2 初始条件和边界条件
• 2.3.3 动态损伤本构关系
• 2.4 方程的有限元求解——COMSOL Multiphysics
• 2.5 本章小结
• 第3章 岩石两孔爆破损伤数值模拟
• 3.1 岩体爆破损伤的COMSOL模型
• 3.2 应力波作用下双孔爆破损伤模拟
• 3.2.1 模型的建立
• 3.2.2 加载方式
• 3.2.3 模拟结果
• 3.2.4 本节小结
• 3.3 爆破应力波和爆生气体共同作用下双孔爆破损伤模拟
• 3.3.1 模型的建立与计算
• 3.3.2 服从指数函数的爆生气体压力
• 3.3.3 服从Weibull函数的爆生气体压力
• 3.3.4 本节小结
• 3.4 不同孔间距的爆破数值模拟
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 模拟结果
• 3.4.3 结论与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 地应力对爆破裂纹扩张的影响
• 4.1 地应力
• 4.1.1 地应力分布的一些基本规律
• 4.2 单孔单向地应力的爆破数值模拟
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 模拟结果
• 4.2.3 数据分析
• 4.3 双孔双向地应力的爆破数值模拟
• 4.3.1 模型的建立及加载方式
• 4.3.2 模拟结果
• 4.3.3 本节小结
• 4.4 本章小结
• 第5章 切缝爆破的成缝规律
• 5.1 定向断裂爆破
• 5.1.1 定向断裂控制爆破成缝理论
• 5.1.2 定向断裂控制方法
• 5.2 切缝药包定向断裂爆破
• 5.2.1 切缝药包定向断裂控制爆破机理
• 5.2.2 切缝药包的聚能作用
• 5.3 数值模型的建立与计算
• 5.3.1 模型尺寸与材料参数
• 5.3.2 网格划分
• 5.4 模拟结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介