岩石微差爆破与齐次爆破效果的数值模拟对比研究

摘要

近年来，岩石爆破得到越来越多的关注，特别是爆破的方式及产生的爆破效果等。新型的爆破技术还未发展起来之前，多采用传统的齐次爆破技术。经过诸位爆破学者的深入研究，爆破技术得到快速发展，微差爆破不仅能够降低爆破所产生的地震效应，而且能够改善岩石的破碎效果。微差爆破的方式是现代工程爆破最重要的方式之一，在实际的工程爆破中具有深远而重要的意义。
　　首先，作者对国内外微差爆破的研究现状及假说进行了总结和分析，介绍了微差爆破的基本作用原理。
　　然后，总结和分析了岩石爆破破碎的基本理论，微差爆破的内部作用原理，岩石爆破动作用和静作用的两个阶段，对比分析了微差爆破、齐次爆破的优缺点，对微差爆破的重要参数进行了简单介绍，包括时间差的确定、装药量的选择、影响爆破作用的主要因素以及微差爆破振动叠加效应，并将理论与公式结合，为后期的数值模拟和实际工程爆破提供一定的理论依据和可靠标准。
　　最后，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对微差爆破与齐次爆破进行数值模拟运算，建立数值模型，确定材料的参数、选择模型、划分网格以及确定边界条件。模拟微差爆破和齐次爆破的作用过程，将微差爆破和齐次爆破两种爆破技术综合模拟对比，探讨两种爆破方式下所得的结果是否一致，并对两者的爆破效果和时间历程谱进行分析处理，并对试验数据与数值模拟结果进行对比，得出结论：微差爆破比齐次爆破效果显著；微差爆破有助于应力波的叠加，可以延长岩石互相碰撞的时间，能够有效的降低地震效应，降低空气冲击波的作用，减少对周围环境的影响；微差爆破所产生的能量、应力、速度、位移均高于齐次爆破，有助于增强岩石的互相碰撞，降低大块率，增强爆破效果；通过与实验室试验对比，给出了两种爆破方式的适用范围和最佳爆破方式选择的建议和意见，对其他爆破工程的施工和设计具有一定的了理论借鉴意义和参考价值。
　　本论文的研究结果对合理选择爆破方式、降低岩石爆破大块率、提高爆破效率、提高技术经济效益和提高爆破工程的安全系数具有重要的参考意义。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 微差爆破理论发展研究现状

1.2.2 微差爆破机理

1.2.3 微差爆破作用原理

1.3 本文的主要研究内容

2 岩石爆破基本原理

2.1 岩石爆破破坏的基本理论

2.1.1 膨胀作用理论

2.1.2 爆炸应力波反射拉伸作用理论

2.1.3 应力波和爆轰气体压力共同作用理论

2.2 岩石爆破的内部作用原理

2.2.1 压碎区的形成特征

2.2.2 破裂区的形成特征

2.2.3 震动区的形成特征

2.3 岩石爆破的两个阶段

2.3.1 动作用阶段对岩石的损伤

2.3.2 静作用阶段对岩石的影响

2.4 微差爆破与齐次爆破对比分析

2.4.1 微差爆破的优缺点、适用范围、爆破效果

2.4.2 齐次爆破的优缺点、适用范围、爆破效果

2.5 本章小结

3 微差爆破参数的确定

3.1 微差爆破时间差的确定

3.1.1 确定微差时间间隔的原则

3.1.2 依据爆破应力波叠加的原则

3.1.3 依据形成新的自由面的原则

3.1.4 经验公式法

3.2 爆破装药量的计算

3.2.1 装药量计算公式

3.2.2 集中药包装药量计算

3.2.3 单位炸药耗量的计算

3.3 依据爆破灾害确定装药量

3.3.1 依据爆破振动控制确定装药量

3.3.2 依据爆破飞石确定装药量

3.4 影响爆破作用的主要因素

3.4.1 炸药性能对爆破的影响

3.4.2 地质条件对爆破效果的影响

3.4.3 施工方法对爆破效果的影响

3.5 微差爆破振动叠加作用的产生

3.5.1 单孔爆破振动波的特性

3.5.2 爆破地震波叠加作用的效应

3.5.3 振动校核与检测

3.6 理论算例

3.7 本章小结

4 岩石微差爆破、齐次爆破数值模拟及对比分析

4.1 ANSYS有限元动力分析

4.1.1 ANSYS有限元动力分析方法

4.1.2 屈服准则的选取

4.2 动力有限元基本原理

4.2.1 LS-DYNA的一般分析过程

4.2.2 LS-DYNA程序的计算理论

4.2.3 空间有限元的离散化原理

4.2.4 简化积分单元与沙漏控制

4.2.5 时间积分与时间步长控制

4.3 岩石爆破的数值模拟模型

4.3.1 模拟模型的建立

4.3.2 主要材料参数的确定

4.3.3 材料模型的选择准则

4.3.4 网格的划分

4.3.5 边界条件的选定

4.4 微差爆破与齐次爆破的LS-DYNA数值模拟结果的对比分析

4.4.1 数值模拟爆破效果应力云图对比分析

4.4.2 数值模拟爆破效果对比分析

4.4.3 时间历程谱对比分析

4.5 试验与数值模拟结果对比

4.5.1 碎块移动初速度对比

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

个人简介及攻读硕士期间主要成果