余永强[1]2003年在《层状复合岩体爆破损伤断裂机理及工程应用研究》文中进行了进一步梳理岩石爆破损伤断裂过程是一个复杂的动态演化过程。该过程由于炸药爆炸后生成的高温、高压气体产物和岩石动态本构关系的复杂性，炸药与岩石之间相互作用的复杂性，以及岩石本身的非均质性和各向异性等使得岩石爆破机理的研究显得十分复杂和困难。爆炸对岩石的损伤断裂作用包含有爆炸应力波和爆生气体作用两个阶段。本文基于前人的研究成果，采用岩体损伤、断裂理论的最新研究成果，研究了岩石和层状复合岩体在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。论文主要内容和取得的成果如下：（1）根据断裂力学和损伤力学理论，分析了岩石损伤断裂机理，提出了岩石的损伤断裂准则；以层状复合岩体损伤破坏理论为基础，建立了层状复合岩体损伤本构方程及其破坏断裂准则。（2）在分析现有岩石爆破损伤模型和岩石爆破损伤断裂理论的基础上，建立了新的岩石爆破损伤模型。（3）推导了爆炸应力波在层状复合岩体中反射和透射的规律，并根据岩体的损伤本构关系，建立了层状复合岩体爆破损伤本构关系，得出了岩体损伤是由爆炸应力波及爆生气体共同作用的结论。（4）运用超动态应变测试技术、超声波检测仪对层状复合岩体的爆破损伤破坏机理和破坏过程进行了实验研究。分析了层状复合岩体中的爆炸应力波的传播规律和爆破前后岩体损伤状况，并研究了层状复合岩体中预裂爆破和台阶爆破技术的装药方式和装填结构对爆破效果的影响。（5） 将建立的岩石爆破损伤本构模型和层状复合岩体本构模型嵌入DYNA-2D程序框架，对岩体的损伤破坏过程进行了数值模拟，其结果验证了理论模型的正确性和合理性。（6）把层状复合岩体爆破损伤的研究成果运用到路堑边坡爆破开挖工程实践中，优化了爆破设计方案，取得了较好的经济、安全和社会效益。
胡阳升[2]2011年在《薄层复合顶板爆破损伤失稳机理及控制技术》文中认为薄层复合顶板巷道爆破掘进时,炸药爆炸产生的冲击力将煤体破碎同时,必然对巷道顶板造成较严重的损伤甚至是破坏。因此,研究爆破掘进对薄层复合顶板的损伤过程,对于其稳定性控制及巷道支护具有重要的指导意义。以东荣二矿中一上采区17煤薄层复合顶板为研究对象,综合采用理论分析、数值模拟分析、现场实测及试验等研究方法对薄层复合顶板爆破损伤失稳机理及其稳定性控制技术展开系统的研究。主要结论:(1)在爆炸荷载作用下,层理岩体损伤破坏具有明显的方向性,应力波与结构面的相互作用是层理岩体破碎及裂隙发育的主要因素。在掘进工作面前方支承压力作用下,薄层复合顶板易出现应力集中,爆炸应力波促使应力集中处的弱面及裂隙进一步发育,在应力重分布及围岩压力剪切作用下顶板易发生损伤断裂失稳。(2)爆破开挖时,重力及侧压力对顶板应力影响显着。随着侧压系数增加使得顶板压应力增加,拉应力减小;工作面前方、后方顶板振速减小,工作面上方顶板振速增加。(3)随着药量增加,爆源近区顶板压力及振速增加较小,而爆源中、远区压力及振速增加较大。相同厚度的顶板,层数越多对爆炸应力波的削弱作用就越强。(4)爆破振动及声速测试表明,巷道两帮测点与模拟点的振速在整体上有很好的一致性。分析表明顶板损伤范围在0~3.6m之间,在0.6m和2.4m处发生离层的可能性最大。(5)针对东荣二矿中一上采区的薄层复合顶板,采用锚杆、钢带、喷浆联合支护技术能大大提高顶板的稳定性。薄层复合顶板巷道采用爆破方式掘进时要正确估算地应力的大小,采用合理的爆破参数及支护方式能够有效控制爆破对顶板造成的损伤破坏,对于薄层复合顶板的安全稳定有着重要的意义。
娄亚北[3]2016年在《赵固二矿二_1煤穿层深孔松动爆破卸压增透应用研究》文中进行了进一步梳理随着浅埋煤炭产量骤减及采掘力度增强,现阶段全国多地的矿井将面临深部开采问题,甚至不少矿井开采深度为(700-1000)m,伴随地应力不断增大、瓦斯含量升高、渗透率降低等诸多问题,导致深部煤层中的瓦斯很难抽采,则潜在事故发生风险很高,严重影响企业正常运转。因此,改善煤层透气性及降低瓦斯含量,成功消除突出变得十分关键。本文对穿层深孔松动爆破在深井突出坚硬煤层中的应用开展了系统研究,分析了炸药作用过程、应力波在层状介质的传播特征、控制孔的作用以及不同孔间距对爆破效果的影响,主要从理论、模型试验、数值计算及应用等研究取得了以下结论：1.通过理论分析阐述了穿层深孔松动爆破卸压增透机理。通过应力波、煤岩体力学、爆破理论、断裂损伤力学的综合分析,分析了应力波在层状煤岩体介质中的传播特征；分析了控制孔的作用,讨论了应力波载荷作用下煤体破坏准则及裂隙发展准则。2.依据相似准则与赵固二矿实测数据等进行试验,获得了合适的煤岩层模拟材料及配比。试验结果表明：应力波的波形由压缩相和拉伸相构成,随着传播距离的增大,两者的波峰逐渐减小；爆破后的有效影响范围为2.5-3.5m。3.根据赵固二矿的现场资料,利用LS-DYNA3D建立不同的计算模型；通过对建立的叁个对比模型的结果分析,讨论了应力波在层状煤岩介质中的传播特征,裂隙的生成变化特点；当孔间距2.5-3.5m时,可使煤层出现贯通裂隙,促进抽采。4.从赵固二矿11080工作面上顺槽底板措施巷的试验结果分析,在孔间距2.5-3.5m范围内,爆破后的单孔平均瓦斯浓度、平均抽采纯量分别增大0.9-3.35倍、1.1-5.45倍。现场试验效果明显,明显了提升了抽采速度,是治理深井坚硬煤层的煤与瓦斯突出的有效解决方案。
刘礼标[4]2009年在《爆破荷载下隧道围岩的损伤分析》文中指出作为隧道工程的关键—围岩稳定性的分析评价是隧道工程设计、施工及后期安全有效运营的基础,围岩爆破损伤是影响隧道围岩稳定性的重要因素。爆破对围岩稳定性的影响主要体现在两个方面:一是使岩石的力学性能劣化,使岩石的强度和弹性模量降低;二是在岩体内产生裂纹或使岩体原有裂纹扩展等,从而影响岩石的完整性。按照岩石的破坏特征,爆破影响区域分成3个部分。爆破过程中形成的爆破近区(压碎区)、爆破中区(破裂区)、爆破远区(震动区)。爆破近区,围岩粉碎性破坏,可认为其损伤因子D=1;爆破中区,围岩损伤,裂纹发展,可认为其损伤因子0<D<1;爆破远区,仅引起弹性震动,可认为其损伤值D=0。作者以寸滩隧道为载体,研究爆破荷载下隧道围岩的损伤分析。本文采用爆破理论分析和数值模拟相结合的方法对寸滩隧道的实际情况进行相关的计算,结果表明:①根据岩石的破坏特征,在不考虑岩石初始损伤的情况下,采用理论方法计算得到寸滩隧道由于光面爆破而引起周边围岩的损伤范围约为炮孔半径的7~10倍。②根据现场监测结果,进行回归分析分别得到了爆破远区和爆源近区的质点峰值速度衰减公式,同时计算了在不考虑群孔影响系数的条件下,寸滩隧道光面爆破振动引起的损伤范围约为炮孔半径的6~8倍。③应用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序对由于周边孔爆破对围岩和相邻隧道初期支护的损伤程度进行分析,估算得到寸滩隧道由于光面爆破引起围岩损伤范围基本为炮孔半径的5~9倍,与根据现场监测结果进行回归分析得到的损伤范围相比较误差均在15%以内。本文研究结果对合理选择爆破参数、围岩的稳定和保证邻近隧道已施作初期支护的安全起到了重要作用。
胡明研[5]2008年在《压缩条件下层状复合岩石力学特性研究》文中研究表明层状复合岩石是工程实际中很常见的一种岩石,在矿山工程、边坡工程、水利水电工程、建筑、公路等工程结构实际与施工中,都存在着与沉积岩层有关的复合岩体力学问题,即层状复合岩石问题。要从本质上解决这一问题,关键是寻求以成层地质材料为研究对象的层状复合岩石的变形特性及断裂破坏准则等强度理论,从而解决实际工程中所遇到的问题。另外对层状复合岩石的研究,在丰富岩石力学理论、指导工程实际、密切与其他学科的联系,具有重大的学术意义和应用前景。本文用相似模拟的方法,采用水泥、石膏、砂子做为相似材料,以砂子为骨料,石膏为主要胶结材料,水泥为辅助胶结材料来模拟层状岩石,对所研究的层状复合岩石试块进行单轴、双轴和叁轴压缩实验,研究由不同顺序组合而成的层状复合岩石在叁种压力状态下的变形特性、强度特征和应力-应变关系,同时推导了层状复合岩石的损伤本构关系,并建立层状复合岩石的破坏失稳准则。应用ABAQUS有限元软件对层状复合岩石进行数值模拟研究,通过数值模拟研究岩石的破坏形态、应力分布状态并与实验的结果作对比分析。
王其虎[6]2015年在《地下开采中接触带复合岩体非协调变形及控制研究》文中研究表明地下开采中接触带复合岩体非协调变形导致巷道出现广泛的剪切破坏和局部冒落，同时松软破碎接触带顶板采场易产生大面积顶板冒落，不仅构成矿山开采的重大安全隐患，也极大降低了开采效率。现有的接触带岩体控制理论和技术无法有效解释和控制接触带岩体的非协调变形破坏，严重制约了地下矿山的大规模高效开采。为寻求接触带复合岩体的有效处理方法，实现接触带巷道和采场的安全高效运行，论文采用岩石力学试验、理论分析、相似试验、数值模拟和现场试验等手段，系统研究了接触带复合岩体的力学特性和地下开采工程的稳定性问题。（1）进行了接触带复合岩样的单轴压缩试验，获取了不同接触角复合岩样的破坏和强度变化特征；从微观角度分析了具有不同变形特征的岩石材料在接触面上的应变协调及横向约束应力，构建了接触带复合岩体宏观非协调变形下的强度模型，可以有效解释单轴压缩试验中接触带复合岩样的强度变化特征。建立了考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变模型，推导出接触带复合岩体非协调蠕变次生约束应力同岩石力学参数、载荷和时间的关系式，揭示了复合岩体次生约束应力和强度的时间效应特征。（2）借助数值模拟和相似试验，系统分析了接触带力学性质、接触带产状、地应力等因素对接触带巷道非协调变形及次生剪应力分布特征的影响。基于弹塑性力学理论，研究了接触带岩体非协调变形对巷道塑性松动区的影响。归纳总结出接触带岩体非协调变形导致的强度降低、次生剪应力集中和塑性松动圈扩大是接触带巷道易发生失稳破坏的主要原因。（3）基于断裂力学理论，建立了接触带巷道非协调变形形成的剪应力环境下单个裂隙的扩展判据、扩展方向及扩展深度函数，模拟了裂隙组扩展、贯通、连通自由面、最终形成自由块体冒落的力学动态过程，揭示出接触带巷道非协调变形破坏机理，有效解释了典型接触带巷道的失稳破坏特征。（4）提出基于协调变形的接触带巷道稳定性控制思路，形成了以X抗剪支护、非对称支护和非均匀分布预应力支护为特征的接触带巷道非均匀过渡支护模式，进一步建立了适应围岩应力及变形分布的非均匀支护参数确定方法，降低了接触带巷道的非协调变形及次生剪应力集中，有效减少了原岩裂隙剪切滑移扩展导致的围岩整体失稳破坏。（5）开发了适用于松软接触带顶板矿床的预切顶连续条带开采废石尾砂充填采矿方法，形成了生产能力最大化的安全开采条带宽度确定方法，提出了尾砂柔性接顶的复合充填体卸压技术，实现松软接触带顶板处理-矿石开采-充填协同高效进行。研究成果揭示了接触带复合岩体在非协调变形下的力学特性，形成了接触带巷道和采场稳定性控制的有效方法，为地下开采中接触带复合岩体的高效处理提供了基础理论和应用技术支撑。
赵建平[7]2009年在《近中区瞬时爆炸波识别及其作用规律研究》文中指出目前,由于爆炸本身的复杂性、炮孔近中区介质爆炸波测定试验设备和技术难度的限制等原因,对于岩石类介质中爆炸波作用波形基本特征及作用过程细观特征的定量研究还未见文献报道,而岩石类材料的破坏是爆炸冲击波、应力波及爆生气体膨胀叁者共同作用的结果。获取爆炸波信号的试验难度使得对于岩体中爆炸波作用过程的认识大多停留在定性认识之上,缺乏对爆炸波及与爆炸波各分离量作用相关联的岩石类材料断裂损伤演化过程的定量系统研究。针对以上问题,结合教育部“优秀青年教师资助计划”课题“深井采矿爆破高效破岩及其相关灾害预防技术研究(EYTP-2134)”和教育部博士点基金资助课题“不耦合加载瞬间岩体近中区爆炸波识别及作用规律研究(200805331148)”,对岩石类介质中由爆炸激起的瞬时爆炸波特征及其作用下的岩体损伤演化过程进行了系统深入的研究。主要研究成果如下:第一,通过超动态测试系统匹配研究和实验技术改进,实现了瞬时爆炸波动应变信号的成功、稳定、重复、高效、全面测定。该应变测试系统及实验技术与其它压电或压力类传感器相比,能够测定压拉应变,使得测试数据无缺陷,波形完整,真实地反映了复杂的爆炸波作用过程,为实现炮孔近中区介质中爆炸波作用下的岩石爆破机理及岩石破岩理论的定量研究奠定了坚实的实验基础。第二,基于实测爆炸波信号及岩石破岩机理等理论,将爆炸波识别并分离为爆炸波作用一区、二区和叁区,提出了与爆炸波各分离区相关联的爆炸波破岩过程。爆破破岩过程是爆炸波作用一、二区在10~4/S以上的高加卸载应变率下的压缩、再次拉伸与压缩和爆炸波作用叁区准静态作用下的复杂作用过程。在空间上,叁者同时存在于爆炸波有效作用范围;时间上,叁者依次作用于测点,为相互独立的过程,但对混凝土的断裂损伤存在内在联系。第叁,基于空气不耦合装药条件下混凝土中实测爆炸波信号识别,得到了不同不耦合系数和不同距离处爆炸波各分离区基本特征参数变化的细观特征。通过对爆炸波各分离区的应力、加卸载应变率、质点运动速度、质点加速度等基本特征进行分析,定量建立了各分离区动力学基本特征参数与不耦合系数K、到爆源中心距离R之间的关系,深刻揭示了炮孔周围介质近中区瞬时爆炸波传播及作用过程的细观特征。第四,结合前人成果,并通过自由面反射波和接触爆炸爆炸波实验实测波形与孔中爆炸波波形的比较,证实了爆炸波各分离区划分及测试数据的正确性。建立了与炸药爆轰结构、岩石破岩理论相联系的爆炸波各分离区产生机制。混凝土中的爆炸波作用一区是爆轰波前沿波阵面压缩区爆压突跃作用的结果,爆炸波作用叁区是爆轰波C-J面后炸药爆轰产物等熵不定型膨胀流动的结果,而爆炸波作用二区产生复杂,可能与损伤有关。第五,针对构成瞬时爆炸波动应变各分离区信号具有短时、频带复杂、能量密度分布不均和突变快的特点,将时频能分析技术用于爆炸波信号分析,从线性和非线性时频分析技术对短时非平稳随机能量有限信号分析的适应性出发,通过多种时频分析方法对爆炸波信号的对比评价和定量计算,确定了适宜于爆炸波动应变分析的最优时频分析函数,为使用时频分析技术进行瞬时爆炸波信号分析奠定了坚实的理论和应用基础。第六,基于最优时频分析函数Rihaczek分布对不耦合装药条件下实测爆炸波信号进行时频能分析,实现了爆炸波信号在时频能叁维空间上的识别定位和爆炸波时频域动应变能量密度区分离,获得了爆炸波各分离区的时频能分布特征、总动应变能和各分离区的动应变能,建立了总动应变能、各分离区的动应变能与不耦合系数K、到炮孔中心距离R的能量动态变化关系,深刻揭示了炮孔周围介质近中区瞬时爆炸波各分离区能量分配及能量中心演化的细观特征。第七,运用声波测试技术对爆炸后混凝土损伤效应进行研究,定量建立了与爆炸波各分离区基本特征参数和能量作用过程相关联的岩体体损伤累积演化机理。提出了与介质损伤阈值D_cri有关的动应变能阈值E_cri为岩体是否破裂的能量判据,根据各分离区动应变能与E_cri相比较,作为是否产生新裂纹的依据。爆炸波作用一区的作用主要体现在产生新裂纹和激活微裂纹上,而爆炸波作用二、叁区的作用主要是扩展已有裂纹,并在损伤界面上存在应力及能量集中。论文获得的上述主要成果,对爆破工程、防护工程、岩体本构关系、爆炸地震波震源特性等学科的研究具有重要的理论及工程应用意义,为应用岩石类材料炮孔近中区介质瞬时爆炸波作用特征及与之作用相关联的介质断裂损伤过程奠定了坚实的实验基础、理论基础和技术基础。
邱贤德, 余永强, 杨小林, 王心飞, 章勇武[8]2003年在《层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破技术实验》文中研究说明层状复合岩体中岩层性质的差异常常导致预裂爆破效果不理想。利用超动态应变测试系统对复合岩体预裂爆破装药量、装药结构等影响因素进行了实验研究 ,并通过超声波仪对爆破后保留区的岩体进行了损伤检测。其结果指出在层状复合岩体中进行预裂爆破时须采用不耦合分层装药 ,并采用不同的线装药密度是符合实际的 ,对工程应用有指导意义
郭建卿[9]2010年在《液固全耦合爆破致裂防治冲击地压机理与应用研究》文中研究说明冲击地压是制约煤矿安全高效生产的主要灾害之一,而冲击地压发生的机理与采掘过程密切相关。本文采用实验室试验、DYNA-2D和Flac3D数值模拟和理论分析等方法,结合现场工程实践,对掘进工作面采动过程中应力场分布特征与诱发冲击地压的关系、液固耦合和不耦合爆破作用过程及致裂弱化岩体解除工作面的压力集中现象进行了深入系统的研究,建立了基于岩体原生微观裂隙的致裂破断模型,提出了掘进头前方0—3m区域内形成非均匀薄壁应力的观点。通过实验研究液固耦合和不耦合爆破对孔壁的不同作用荷载,从而产生不同的致裂弱化区。应用DYAN 2D模拟研究液固耦合和不耦合爆破应力应变演化的基本特征；应用FLAC_3D模拟研究了采动影响下,围岩内应力场的变化特征,不同爆破方式致裂弱化后应力集中区的转移规律。研制了液固耦合爆破封孔装置与注水工艺,建立了掘进工作面冲击地压预测预报系统,实现了对冲击地压的实时监测。上述结果在平煤十二矿叁水平皮带下山防治冲击地压中应用,取得了良好的社会经济效益。
杨旭明[10]2016年在《深孔预裂弱化顶板技术在余吾矿的研究与应用》文中研究说明本文针对坚硬顶板弱化处理展开了相应的理论研究、数值模拟、工程实施和实施效果监测。首先,根据现行弱化处理坚硬顶板的工程方法,选择深孔预裂切顶方案,划分顶板坚硬级别,并根据相关爆破理论计算点爆破形成的两区(粉碎区、裂隙区)破坏半径,完成基础性的理论研究。基于上述理论研究结果,展开对单孔和炮孔组的细化研究,考虑影响单孔及炮孔组爆破效果的设计参数,包括:不耦合系数、孔间距、组间距、装药结构和药包切缝宽度。理论研究各参数对爆破效果的影响情况,并结合实际情况确定出各参数的合理取值范围。其次,根据理论计算的各设计参数的合理取值范围,结合N1202工作面实际工程背景,运用ANSYS/LS-DYNA软件分别对各参数进行相应数值模拟,通过对模拟结果的对比及分析,确定出此工作面合理的爆破设计参数。然后,基于前述章节的理论计算和数值模拟成果,确定出N1202工作面顶板弱化处理方案,对顶板实施弱化处理。过程中记录分析顶煤垮落情况、窥视对比爆破前后孔壁差异、与未处理工作面对比分析瓦斯和CO释放浓度,明确顶板弱化效果。最后,对N1202工作面进行矿压观测,在工作面和顺槽布置测线和测站,记录支架工作阻力、明确工作面初次来压强度及步距、监测巷道表面位移,综合分析是否达到顶板弱化处理的预期效果和目的。本文研究结论:①根据顶板各岩性的物理力学参数测定实验,对顶板分级,通过梁模型和薄板模型适用性比较分析,得出两理论模型均适合N1202工作面。并运用关键层理论,求出顶板上覆均布载荷q,预计来压步距。并根据爆破理论计算出各岩层破坏区半径。②根据N1202工作面实际情况和数值模拟结果,确定出爆破设计参数,径向不耦合系数的合理设计范围确定为1.15-1.5时,单孔爆生裂隙区半径为1.5m-3m,单组炮孔起爆时爆生裂隙区半径为3.5m。故组内孔间距设计取值范围为3-6m,组间距设计取值范围为取7-8m,能确保孔间形成贯穿裂隙,利于工作面顶板炮孔布置设计。另外,若对药包或者孔壁进行切缝或切槽处理,可以增强定向贯穿效果。故通过计算得出药包切槽宽度取15mm并进行模拟,表明切缝对爆生初始裂隙和高能射流具有导向作用。③通过矿压观测,结果表明:顶板实施弱化处理后,N1202初次来压步距平均为27m,与未经顶板弱化处理工作面N1205对比,初次来压步距缩短近15m,平均来压强度有所降低且来压期间支架工作阻力均满足额定工作阻力要求,巷道表面位移量小,利于减小超前支护强度和有效降低护巷要求。
参考文献：
[1]. 层状复合岩体爆破损伤断裂机理及工程应用研究[D]. 余永强. 重庆大学. 2003
[2]. 薄层复合顶板爆破损伤失稳机理及控制技术[D]. 胡阳升. 西安科技大学. 2011
[3]. 赵固二矿二_1煤穿层深孔松动爆破卸压增透应用研究[D]. 娄亚北. 安徽理工大学. 2016
[4]. 爆破荷载下隧道围岩的损伤分析[D]. 刘礼标. 重庆交通大学. 2009
[5]. 压缩条件下层状复合岩石力学特性研究[D]. 胡明研. 河南理工大学. 2008
[6]. 地下开采中接触带复合岩体非协调变形及控制研究[D]. 王其虎. 武汉科技大学. 2015
[7]. 近中区瞬时爆炸波识别及其作用规律研究[D]. 赵建平. 中南大学. 2009
[8]. 层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破技术实验[J]. 邱贤德, 余永强, 杨小林, 王心飞, 章勇武. 重庆大学学报(自然科学版). 2003
[9]. 液固全耦合爆破致裂防治冲击地压机理与应用研究[D]. 郭建卿. 中国矿业大学（北京）. 2010
[10]. 深孔预裂弱化顶板技术在余吾矿的研究与应用[D]. 杨旭明. 太原理工大学. 2016
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