水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂机理研究

摘要

地下工程爆破开挖施工过程当中，实现对炸药爆炸能量和爆生裂纹扩展轨迹的有效控制一直是广大爆破科技工作者共同追求的目的，为此，各种定向断裂控制爆破技术应运而生。其中，高压水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂技术正是在充分利用高压水射流独特切割优势的基础上发展而来的。由于该技术完美克服了传统机械刻槽爆破技术实施过程中存在的弊端，因此具有更加广阔的应用前景。然而，现阶段高压水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂机理尚不十分明确，并且有关各类岩体缺陷对该技术定向致裂效果影响机制的研究仍然存在很大的空白，为该技术的进一步发展和现场推广应用带来了很大程度的限制。基于此，本文依托国家重点基础研发项目(973计划)和国家安全生产监督管理总局“四个一批”重点科技攻关课题，通过理论分析、实验研究及数值模拟相结合的手段针对水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂机理开展了如下研究工作：
　　(1)基于应力波理论和爆炸冲击动力学理论分析了射流缝槽内爆炸应力波传播机制，研究了爆炸应力波在射流割缝缝槽处的“聚能效应”，得到了缝槽周围应力加强线上极值应力的理论计算公式，揭示了爆炸应力波作用下射流缝槽对初始裂纹生成特征的影响机制。引入弹塑性断裂力学理论分析了爆生气体准静态作用下射流割缝缝槽尖端裂纹起裂特性，进一步揭示了水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂机理。
　　(2)分析了天然裂隙对爆炸应力波传播规律的影响机制，建立了应力波与天然裂隙之间的相互作用模型。实验研究了不同方位、不同距离天然裂隙对射流割缝炮孔爆生裂纹分布扩展及动态应变演化的影响规律，数值模拟了天然裂隙影响下射流割缝炮孔周围爆炸应力场分布演化规律，得到了天然裂隙对水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂特性的影响机制。
　　(3)实验研究了水射流割缝辅助岩石爆破双孔贯通规律及其声发射特性，数值模拟了不同间距下普通圆形双孔和射流割缝双孔爆破时爆炸应力场分布演化规律，得到了不同情况下水射流割缝辅助岩石爆破双孔孔间裂纹贯通特性及相关力学参数变化规律。
　　(4)实验研究了不同类型空孔对水射流割缝辅助岩石爆破爆生裂纹扩展及声发射特性的影响规律，数值模拟了不同类型、不同间距空孔影响下射流割缝炮孔周围爆炸应力场分布演化规律，揭示了水射流割缝辅助岩石爆破空孔导向裂纹扩展机理。
　　研究成果一定程度上丰富了水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂理论，填补了有关水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂技术现场适应性的相关研究空白，为该技术的现场应用及其参数优化提供了理论参考依据，推动了水射流割缝辅助岩石爆破定向致裂理论与技术的发展。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的及研究意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 问题的提出

1.4 主要研究内容及研究思路

2 水射流割缝辅助岩石爆破爆生裂纹起裂扩展特性研究

2.1 爆炸应力波作用下射流割缝炮孔初始裂纹起裂特性

2.2 爆生气体准静态作用下射流割缝炮孔裂纹扩展特性

2.3 爆炸动静荷载作用下水射流割缝辅助岩石定向致裂机理

2.4 本章小结

3 天然裂隙下射流割缝辅助岩石爆破定向致裂特性研究

3.1 天然裂隙对爆炸应力波传播规律的影响及其相互作用机制分析

3.2 水平裂隙对射流割缝炮孔周围爆炸应力场分布及爆生裂纹扩展的影响规律研究

3.3 倾斜裂隙对射流割缝炮孔周围爆炸应力场分布及爆生裂纹扩展的影响规律研究

3.4 垂直裂隙对射流割缝炮孔周围爆炸应力场分布及爆生裂纹扩展的影响规律研究

3.5 本章小结

4 水射流割缝辅助岩石爆破双孔孔间裂纹贯通特性研究

4.1 水射流割缝辅助岩石爆破双孔孔间裂纹扩展贯通轨迹及动态应变特性实验研究

4.2 水射流割缝辅助岩石爆破双孔爆炸应力场分布演化的数值模拟研究

4.3 水射流割缝辅助岩石爆破双孔爆生裂纹扩展规律及声发射特性实验研究

4.4 本章小结

5 水射流割缝辅助岩石爆破空孔导向裂纹贯通特性研究

5.1 水射流割缝辅助岩石爆破空孔导向裂纹扩展及声发射特性实验研究

5.2 水射流割缝辅助岩石爆破空孔附近应力场演变规律数值模拟研究

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间所取得的科研项目成果① 参研科研项目情况