考虑碰撞作用的节理裂隙岩体爆破块度预测研究

结合Grady根据破碎能量守则给出的脆性材料动态平均块度尺寸的公式，充分考虑爆炸应力波对岩体的破碎作用和在爆生气体膨胀及渗流压力作用下岩块之间的相互挤压碰撞作用，建立了包含损伤变量的爆破块度分布的理论计算模型，得出了平均块度（K50）和筛下累积百分率（Px）之间的关系，并进行了数值模拟和实验验证。模拟和实验结果表明，运动岩块间的挤压碰撞作用是影响爆破平均块度的一个重要因素，尤其对于质量较差的岩石更是如此。并得出了一些有益的结论，对指导工程实践具有一定的参考价值。     

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。     

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。     

钻爆开挖条件下岩体临界破碎状态的损伤阈值统计研究

 研究岩体的临界破碎损伤阈值对于划分岩体的破碎状态和确定爆破岩体可开挖范围有重要意义。根据爆破作用过程和岩体破碎机制,分析钻爆条件下岩体的破碎状态,提出保留岩体与可开挖岩体的分界面处于一种临界破碎状态。基于岩体的声波特性和损伤理论,利用岩体损伤变量来表征岩体的破碎程度,并将岩体损伤分为初始损伤和爆破损伤。依托白鹤滩水电站工程项目,在坝肩爆破开挖区进行大量的声波测试试验,分析不同深度岩体的损伤状态,试验结果表明,爆后岩体临界破碎损伤变量在0.8左右。搜集国内外有关项目的声波实测数据,统计临界破碎状态岩体的损伤变量,并最终确定其损伤阈值为0.75～0.85。     

最小抵抗线对岩石破碎块度影响的能量分析

运用分形理论对台阶爆破块度分布规律进行描述,将断裂力学理论与块度分布规律结合推导了台阶爆破岩石破碎能计算方法。基于相似理论浇筑台阶模型并进行爆破试验,研究不同最小抵抗线条件下台阶爆破岩石块度分布规律、岩石破碎能变化规律,试验结果表明:岩块分形维数随最小抵抗线增大呈线性降低,并且分形维数越小,块度评价指标K₈₀、K越大,岩石破碎效果越差;炸药爆炸能量仅有5%~8%用于岩石断裂破碎,岩石破碎能随最小抵抗线增大呈现出二次函数的变化趋势。将块度分布变化规律与破碎能变化规律相结合评价岩石破碎效果,得到了试验最佳最小抵抗线范围,依据相似准则获得了矿山台阶的最佳最小抵抗线范围,对于矿山生产具有一定的指导意义。     

基于爆破损伤的岩台保护层开挖爆破参数研究

  摘要：在现有岩石爆破损伤理论的基础上,提出考虑初始损伤的爆破损伤计算模型,推导初始损伤变量和声波波速、弹性模量以及损伤门槛值等参数间的关系式。以溪洛渡水电站主厂房岩台保护层开挖为研究背景,结合岩石爆破损伤理论,分析保护层开挖的爆破损伤效应及其主要影响因素,并导出爆破参数计算公式。对主厂房内分布较广且初始损伤程度不同的2类岩体,分别给出相应的开挖爆破参数。通过现场爆破试验、爆破振动速度测试以及钻孔声波测试,验证爆破参数的合理性以及完善爆破参数设计。研究结果表明：爆破参数设计需要考虑岩体初始损伤的影响。考虑损伤效应后,岩台保护层开挖的炮孔密集系数小于普通光面爆破参数设计值;岩体初始损伤程度较大时,应增加光爆孔的装药不耦合系数和减小炮孔密集系数;岩台开挖爆破影响深度和爆破地震效应均满足安全控制要求,爆破参数设计合理。研究成果可为同类工程提供借鉴。     

节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

多种规格石料开采块度预测与爆破控制技术研究

 针对多项工程要求的多种规格石料开采难题,以铁炉港采石场为工程背景,采用现场调研、工程试验、计算预测和爆破控制技术等方法,研究多种规格石的高效爆破开采技术。施工前,结合采场结构面调查结果和采场爆破漏斗试验,对采场进行岩体块度分区,绘制出满足工程开采的爆破块度分区图,提高了规格石开采的效率;借助Kuz-Ram数学模型,建立爆破设计参数与爆后石料不同块度所占百分率的关系式,根据此关系式可由爆破参数预测爆堆块度和爆破效果,并可根据预测结果对爆破参数进行优化;施工过程中,研究降低粉矿率的崩塌爆破技术,分析其作用机制,并通过对比耦合装药、全孔不耦合装药和不均匀不耦合装药结构的爆破效果,表明不均匀不耦合装药结构崩塌爆破技术能大大降低粉矿率和工程成本。现场应用情况表明,采用这一系列保证规格石开采的技术,不但能满足工程高质量的要求,而且经济效益显著。     

岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

Dynamic fragmentation of microwave irradiated rock

The microwave-assisted rock fragmentation has been proven to be a promising approach in reducing cutting tools wear and improving efficiency in rock crushing and excavation.Thus,understanding the influence of damage induced by microwave irradiation on rock fragmentation is necessary.In this context,cylindrical Fangshan granite(FG)specimens were exposed to microwave irradiation at a power of 6 kW for different durations up to 4.5 min.The damages of the specimens induced by irradiation were quantified by using both X-ray micro-CT scanning and ultrasonic wave measurement.The CT value and Pwave velocity decreased with increase of irradiation duration.The irradiated specimens were then tested using a split Hopkinson pressure bar(SHPB)system to simulate rock fragmentation.A momentum-trap technique was utilized to ensure single-pulse loading on the specimen in SHPB tests,enabling valid fragment size distribution(FSD)analysis.The dependence of dynamic uniaxial compressive strength(UCS)on the irradiation duration and loading rate was revealed.The dynamic UCS increased with increase of loading rate while decreased with increase of irradiation duration.Using the sieve analysis,three fragmentation types were proposed based on FSD,which were dictated by both loading rate and irradiation duration.In addition,an average fragment size was proposed to quantify FSD.The results showed that the average fragment size decreased with increase of loading rate.A loading rate range was identified,where a dramatic reduction of the average fragment size occurred.The dependence of fragmentation on the irradiation duration and loading rate was also discussed.     

爆炸荷载下岩石损伤的数值模拟研究

基于所建立的岩石动态损伤模型,对沟槽深孔微差爆破进行了数值模拟。计算结果较好地反映了爆炸荷载作用下岩石的损伤演化规律,客观地再现了爆破破岩的物理过程。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

Assessing the effects of joint orientation and rock mass quality on fragmentation and overbreak in tunnel blasting

It is well known that rock mass properties exert considerable influence on the process of fragmentation. Observations in a model study and field study using conventional bulk blasting were compared in order to determine the effects of rock mass quality and joint orientation on fragmentation and profile control in tunnel blasting. It was observed in the study that blast results such as average fragment size and depth and cross-sectional area of broken zone were considerably influenced by the joint orientation. Accordingly, it is concluded that larger-capacity loading equipment and deeper blast holes are required informations with joint planes perpendicular to the tunnel axis. However, the number of blast holes should be greater in the case of joints parallel to the tunnel axis. Furthermore, the powder factor (kg / m³) is found to be directly related to the rock mass quality (Q). Optimization of pull and charge per round is required for efficient blasting in weak formations. The use of the contour blasting technique seems to be essential in poor and fair rock masses in order to minimize the overbreak, reduce the support cost, and improve the stability of the opening.     

Optimized blasting design for large-scale quarrying based on a 3-D spatial distribution of rock factor

Rock fragmentation plays a critical role in large-scale quarrying operations because of its direct effects on the costs of drilling, blasting, secondary blasting and crushing. In this aspect, it is essential to consider rock fragmentation in blasting design. The optimum blasting pattern to excavate a quarry efficiently and economically can be determined based on the minimum production cost which is generally estimated according to rock fragmentation. By comparing various prediction models, it can be ascertained that the results obtained from the Kuz–Ram model relatively coincide with the results from field measurements. This model uses the rock factor to signify conditions of rock mass such as block size, rock jointing, strength, and others. The rock factor is estimated from geologic data such as block size of rock mass, rock jointing, strength, and others, and its 3-D spatial distribution was predicted by a sequential indicator simulation (SIS) technique. The entire quarry in question was classified into three types of rock mass and an optimum blasting pattern was proposed for each type based on the 3-D spatial distribution of the rock factor. It can, therefore, be concluded that it is possible to design a blasting pattern to achieve a minimum production cost in large-scale quarrying operations by predicting rock fragmentation based on the 3-D spatial distribution of the rock factor.