水介质耦合钻孔爆破及其在隧道工程中的应用

摘要

传统的隧道爆破采用纯炮泥堵塞炮眼，炸药的有效能量利用率不高，炸药单耗量大。随着社会经济的迅速发展，如何降低炸药用量，有效进行爆破，已成为目前迫切需要解决的问题。针对这种情况，本文提出了一种隧道水土复合堵塞炮眼爆破法，即水介质耦合钻孔爆破法。该法利用水土复合代替纯炮泥堵塞炮眼，利用水的不可压缩性和炮泥的堵塞作用，减少冲击波在传播过程中的衰减，相对延长了爆生气体的作用时间，提高了岩石的破碎度和炸药的有效能量利用率。结合水介质耦合钻孔爆破在北岭山隧道工程现场的成功应用，从爆破理论、室内试验、数值模拟对此爆破法的作用机理和装药结构进行了研究。 在理论上，对水介质耦合爆破和空气介质不耦合爆破冲击波的传播及其效应作了研究，分别就水和空气两种介质不耦合装药爆破后对孔壁的冲击压力和准静态压力进行推导和对比，对不同耦合介质的爆炸能量传输进行了推导。在室内试验方面，进行了炮孔不同堵塞情况下的应力、应变和装药结构试验，并进行了对比分析，找出了较优的装药结构。数值模拟方面，介绍了显式动力有限元程序LS-DYNA的计算原理，利用LS-DYNA970软件对室内应变试验和单炮孔在不同堵塞方式下的有效应力分布规律进行了模拟分析，验证了理论的正确性，推动了计算机模拟在岩石爆破中的应用。在北岭山隧道掘进现场的应用，降低了粉尘，节省了炸药。 通过机理研究和现场成功应用得出水介质耦合钻孔爆破较优的装药的结构为：炮眼底部水柱层厚18～22cm；炮眼中部水柱层厚度20～100cm，与回填堵塞层厚度之比是0．75～1。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1岩石爆破的评述

1.2.2爆破数值模拟研究现状

1.3本论文的主要研究内容与方法

第2章在不同介质中的爆炸理论研究

2.1引言

2.2不同耦合介质爆破时的爆炸载荷

2.2.1空气不耦合装药时的爆炸冲击波初始参数

2.2.2水不耦合装药时的爆炸冲击波初始参数

2.3不同耦合介质爆破冲击波衰减规律

2.3.1空气中爆炸冲击波的衰减规律

2.3.2水中爆炸冲击波的衰减规律

2.4不同耦合介质爆破孔壁初始压力

2.4.1空气不耦合装药时的孔壁初始压力

2.4.2水不耦合装药时的孔壁初始压力

2.5不同耦合介质爆破时的准静态应力场

2.5.1空气不耦合介质爆破时的准静态应力场

2.5.2水不耦合介质爆破时的准静态应力场

2.6不同耦合介质的爆炸能量传输

2.6.1空气不耦合装药的能量传输

2.6.2水不耦合装药的能量传输

2.7本章小结

第3章水介质耦合爆破模拟试验

3.1爆压测试

3.1.1测试内容

3.1.2测试结果

3.1.3测试结果分析

3.2炮孔耦合装药应变测试

3.2.1测试内容

3.2.2测试结果

3.2.3测试结果分析

3.3炮孔不耦合装药应变测试

3.3.1测试内容

3.3.2测试结果

3.3.3测试结果分析

3.4装药结构模型试验

3.4.1试验内容

3.4.2试验结果及分析

3.4.3试验结果分析

3.5本章小结

第4章水介质耦合爆破数值模拟

4.1引言

4.2用软件来模拟爆炸及其作用过程的必要性

4.3有限元的基本工作原理

4.4 LS-DYNA简介

4.4.1 LS-DYNA发展概况

4.4.2LS-DYNA的分析功能

4.4.3材料模型和单元库

4.4.4 Lagrange、Euler、ALE算法简介

4.4.5 LS-YDNA前、后处理及求解步骤介绍

4.5 LS-DYNA数值模拟的基本原理

4.5.1LS-DYNA算法基础

4.5.2控制方程

4.5.3空间有限元离散化

4.5.4单元计算的单点高斯积分和沙漏控制

4.5.5应力波与人工体积粘性

4.5.6材料模型

4.5.7非线性方程组的解法

4.6水介质耦合装药爆破应变试验的数值模拟

4.6.1物理模型

4.6.2材料模型

4.6.3数值模拟结果

4.7单个炮孔水介质耦合爆破数值模拟

4.7.1计算模型

4.7.2计算结果

4.7.3结果分析

4.8本章小结

第5章隧道工程现场应用

5.1工程简介

5.2光面爆破设计

5.2.1爆破特点及要求

5.2.2钻爆设计原则

5.2.3钻爆设计

5.3施工工艺

5.3.1放样布眼、钻眼

5.3.2炮泥制作工艺

5.3.3水袋制作

5.3.4装药联线、回填堵塞

5.4爆破效果及效益分析

5.4.1爆破效果

5.4.2经济效益

5.5本章小结

第6章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践