不同围压应力条件下单排三炮孔爆破破岩机理数值模拟研究

摘要

随着浅部煤炭资源的不断枯竭，许多国有重点煤矿矿井的开采深度都超过了800m，而在开采需求持续增大的情况下，煤矿的开采深度将会超过1000m，甚至达到1500m。而现有的煤炭开采方式仍然是通过钻爆法完成的井工开采，这就意味着要在复杂的地应力条件下进行井巷爆破掘进作业。因此爆破破岩过程将会受到爆炸载荷和初始地应力场的协同作用，这一过程相对复杂，与现有的不需要考虑初始应力场的爆破破岩过程有所不同。　　针对此条件下的爆破破岩问题，本文借用大型显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同围压应力条件下单排三炮孔爆破破岩过程进行了数值模拟研究，探讨了围压值、侧压系数对岩石爆破的影响，以及研究了分别使用布置空孔、使用延时起爆技术，改变炮孔布置倾斜角度等爆破技术对围压应力条件下岩石爆破作用效果的影响规律。主要工作如下：　　（1）从理论上分析了爆破破岩机理、应力波的传播特性和衰减规律及影响破岩过程与效果的主要参数进行了分析。　　（2）分别使用LS-DYNA软件中的Plastic Kinematic（PK）本构方程、Johnson Holmquist Concrete（HJC）本构方程、和RHT本构方程来表征岩石本构关系，进行了理论分析和数值模拟研究。结果表明，通过RHT本构方程来表征岩石本构关系时，可以通过损伤演化来表征岩石压缩破坏和拉伸断裂过程，更适用于表征岩石爆破破岩过程。　　（3）进行了双向等围压应力条件和不同侧压系数条件下的单排三炮孔爆破破岩数值模拟研究，分析了不同围压值和侧压系数对模型中各炮孔的损伤过程，炮孔间的损伤贯穿过程以及爆破破岩过程中有代表性的岩石单元的应力变化过程的影响。研究结果表明，围压对炮孔间的损伤贯穿产生了抑制作用，侧压系数的变化会引起损伤演化方向的变化。　　（4）分析了围压应力条件下布置空孔、延时起爆技术和炮孔排向倾斜布置方式对单排三炮孔爆破破岩过程的影响。结果表明，使用以上爆破技术可以改变围压应力条件下的爆破损伤演化方向、损伤演化速度和损伤演化范围。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石爆破理论模型研究现状

1.2.2 爆破破岩机理研究现状

1.2.3 初始应力条件下爆破破岩研究现状

1.3 课题的提出

1.4 主要研究内容

2 爆破破岩机理分析

2.1 爆炸应力波传播衰减规律

2.1.1 岩体中的爆炸应力波波动方程

2.1.2 柱状装药岩体中爆炸应力波衰减规律

2.2 岩体中爆炸载荷作用过程

2.3 影响爆破破岩过程的主要岩石力学参数

3 爆破破岩数值计算原理介绍及本构模型对比应用分析

3.1 ANSYS/LS-DYNA程序介绍

3.2 显式动力学有限元计算理论基础

3.2.1 有限元方法简介

3.2.2 LS-DYNA动力学计算理论基础

3.3 基于不同本构方程的单炮孔爆破破岩数值模拟研究

3.3.1 单孔岩石爆破数值模型建立过程

3.3.2 基于PK本构方程的单孔爆破数值模拟研究

3.3.3 基于HJC本构方程的单孔爆破数值模拟研究

3.3.4 基于RHT本构方程的单孔爆破破岩数值模拟

3.4 本章小结

4 不同围压值和侧压系数条件下单排三炮孔爆破破岩机理数值模拟研究

4.1 数值计算模型

4.1.1 几何模型及坐标系方向

4.1.2 模型加载方案及其他计算设置

4.1.3 模型试验计算

4.2 双向等围压单排三炮孔爆破破岩数值模拟

4.2.1 等围压爆破模型损伤演化过程

4.2.2 等围压爆破模型岩石单元受力分析

4.3 不同侧压系数下的单排三炮孔爆破破岩数值模拟

4.3.1 不同侧压爆破模型损伤演化过程

4.3.2 不同侧压爆破模型岩石单元受力分析

4.4 本章小结

5 不同围压条件下使用特殊爆破技术的单排三炮孔爆破破岩数值模拟研究

5.1 双向等围压条件下含空孔单排三炮孔爆破破岩机理数值模拟

5.2 应用延时起爆技术的等围压应力条件下单排三炮孔爆破破岩数值模拟

5.3 双向等围压条件下倾斜单排三炮孔爆破破岩数值模拟

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

个人简介及攻读硕士期间主要成果

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