岩石爆破理论模型的研究现状及发展趋势
岩石破碎技术研究与发展前景
盥
比能
ｃ
岩 石 破 碎 技 术 已 广 泛 应 用 于 矿 山 开 采 、 质 钻 探 和 地
觚
一
岩石切割等有关工程领域 。近几十年来 ， 国都在试验 各 最新型的岩石破碎方法 ， 从传统爆破法 和机械冲击法发 展到 现在 的高能 电子 束法 、 射流法 、 水 喷气技 术 、 波 微
早在 ２ ０世纪 ６ ０年代 ， 人们就开始认识到在地质钻探 和岩石切 割
中 利用 声 谱 研 究 岩 石 破 碎 过 程 。 从 能量 观 点 出 发 ， 钻 进 过 程 中 ， 钻 机 动 力 机 传 给 钻 头 的机 械 在 从
能可以转换 为声能 、 热能 、 电能和电磁能， 这些能量在钻进 过程 中向岩
的破碎 ，是射流冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同 作用的结果。美国曾实现压力达到 ４ ０ ， ｌ左右的高压水连续细射 ０ ０ｋ ｃ ｇｎ 流， 配合隧道掘进机对硬岩进行切割 ， 改善了盘形滚刀破岩条件 ， 提高掘 进速度 ５％一 ０％。前苏联所研 制的脉 冲水射流破岩装置 ，压力可达 ０ ２０ ８ ０ ｋ／ｍ一 Ｏ ０ ｋ／ｍ ，可 破 碎 任 何 硬 度 的 媒 体 和 抗 压 强 度 外 ０ ０ ｇ ｌ００ ｇ ： ￣ ｃ
中心 轮 距 ：２０ ｍ（ 板 距 ） ２０ｒ 辐 ａ 轴 距 ：３０ ｍ＋ ０ ０ ｍ １５ ｒ １５ ｍ ２ ０ ｒ ＋ ０ ｍ ａ ３ ａ
一
次到位 ， 改变 了过孔方 式 ， 而提高 了架桥 机在铁路桥过 孔 从
时稳定性 和安全可靠性 。
５４具 有 ３ ‰ 大 坡 道 运 、 Ｔ梁 的 能 力 ． ２ 架
采用变频调速交流 电机牵引 ， 大减速 比， 增 减小走行轮径 ， 增加驱动 电机数量 ， 灵活控制运梁车 的速度 ， 解决 了在 ３％ 大 ２。
土木工程中的岩石爆破技术研究
土木工程中的岩石爆破技术研究岩石爆破技术是土木工程中常见的一种施工方法，它可以有效地解决岩石开挖、勘探和建设过程中的难题。
然而，岩石爆破技术的研究和应用也面临着一些挑战和改进的空间。
本文将探讨土木工程中的岩石爆破技术以及未来的发展方向。
首先，岩石爆破技术的原理是基于能量释放和应力传递的原理。
在爆破过程中，硐室内的炸药被引爆，产生的能量将岩石中的应力集中，使其发生破裂和崩落。
这依赖于炸药的选择、布置和引爆方式等因素。
因此，炸药的性能和使用技术是岩石爆破技术中的关键问题之一。
其次，岩石的物理特性和结构也会影响爆破效果。
不同类型的岩石具有不同的抗压和抗裂能力，从而对爆破的难易程度产生影响。
此外，岩石的孔隙率和裂隙网络也会影响爆破效果。
因此，在进行岩石爆破前，需要对岩石进行详细的物理和力学性质的研究，以确定适当的爆破参数和设计方案。
然而，传统的岩石爆破技术也存在一些问题。
首先，爆破过程中会产生大量的粉尘、噪音和振动，对周围环境和人员的安全造成威胁。
尤其在城市建设中，这些问题更为突出。
其次，爆破会对地质环境产生不可逆的影响，如地下水位下降、土层沉降和地震等。
这些问题对环境保护和可持续发展构成了挑战。
为了解决这些问题，岩石爆破技术正在不断创新和改进。
一方面，炸药和引爆器件的研发正朝着更安全、经济和环保的方向发展。
例如，一些新型的炸药能够减少爆破时产生的粉尘和噪音，并提高爆破效率。
另一方面，岩石爆破技术与其他施工技术的结合也为解决这些问题提供了新的思路。
例如，利用先进的控制系统和监测技术，可以实时监测和调整爆破的参数，从而减少环境的影响。
此外，岩石爆破技术在相关领域的交叉应用也给其发展带来了新的机遇。
例如，在地下矿山勘探和开采中，岩石爆破技术的研究可以提高开采效率和安全性。
在石油勘探和开发中，岩石爆破技术可以用于孔隙储层的破裂和改造，提高油气的产量。
在水利工程中，岩石爆破技术可以用于崩岩和地质灾害的治理，保障水利设施的安全。
岩爆研究现状和趋势
岩爆研究现状和趋势下面为大家总结了一些关于岩爆研究现状和趋势，一起来看一下吧！1 引言岩爆是高地应力条件下地下岩体工程开挖过程中，由于开挖卸荷引起围岩内应力场重新分布，导致储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力失稳地质灾害，它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。
2 岩爆机理研究2.1 强度理论早期的强度理论着眼于岩体的破坏原因。
认为地下井巷和采场周围产生应力集中，当应力集中的程度达到矿岩强度极限时，岩层发生突然破坏，发生岩爆。
近代强度理论认为：导致岩体承受的应力σ与其强度σ'的比值，即σ/σ'≥1时，导致岩爆发生。
2.2 能量理论20世纪60年代中期，库克等人在总结南非金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理论。
他们指出：随着采掘范围的不断扩大，岩爆是由于岩体-围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。
这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。
2.3 刚度理论20世纪60年代中期，Cook和Hodgei发现，用普通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而不猛烈，并且有可能得到应力-应变全过程曲线。
他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚度大于试验机(即加载系统)的刚度。
20世纪70年代Black将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题。
认为矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。
佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现了柔性加载条件。
在他的研究中也引入了刚度条件，并且明确认为矿山结构的刚度是峰值后载荷-变形曲线下降段的刚度。
2.4 岩爆倾向理论岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条件。
用一个或一组与岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论。
岩爆预测方法与理论模型研究的开题报告
岩爆预测方法与理论模型研究的开题报告开题报告题目：岩爆预测方法与理论模型研究一、选题的背景和意义岩爆（Rockburst）是指在地下工程中，由于矿体应力变化引起的破岩现象，其发生会给矿山采掘带来巨大的危害，使得安全生产面临严重挑战。
因而，对岩爆的预测及控制研究成为矿山安全生产的热点问题。
然而，岩爆发生规律复杂，造成的原因和机制也十分复杂，因此如何建立有效的预测方法和理论模型对岩爆进行控制具有重要的实际意义和深远的理论价值。
二、研究现状及存在问题当前，对于岩爆的研究主要集中在预防措施的制定和加固设计方面。
而对于岩爆的预测和控制研究则相对滞后，其预测准确性和可靠性仍然有待提高。
现有方法如Gradient Boosting决策树、逻辑回归等也存在一定的局限性，如训练数据不足、模型过于简单等问题，阻碍了其在实际中的应用。
三、研究的内容和方法本研究将结合国内外学者已有的岩爆研究成果和研究最新进展，深入研究岩爆的预测方法和理论模型。
具体研究内容包括：1. 岩爆预测方法的改进：针对现有方法存在的问题，如数据量不足、模型选择不合适等问题，采用合适的数据预处理和特征选取方法对数据进行处理，结合深度学习算法改进预测模型的结构和算法。
2. 岩爆发生机理的研究：以确定岩爆发生的根本原因和机理为目标，建立起岩爆物理力学模型，探索不同条件下的实验破岩现象，加深对岩爆发生机理的了解。
3. 岩爆控制理论研究：开展控制方法的理论研究，结合现有的预防措施，寻找更为适合的控制方法，以提高岩爆的控制效果。
四、预期研究结果及其意义本研究的预期研究成果包括：1. 结合实验方法，建立一个新的岩爆物理力学模型，加深对岩爆机理的理解和认识。
2. 建立一种新的岩爆预测方法及其理论模型，改善现有方法存在的局限，提高预测准确性。
3. 寻找更为适合、经济的的岩爆控制方法，在实际中进行控制的有效性进一步提升，取得实际应用效果。
本研究的意义主要体现在：1. 优化企业生产安全，减少生产事故，提高企业运行效率，降低运营成本。
岩石爆破模型研究综述
(2)Farvneu 是在爆炸应力渡理论基础上建立的三维弹性模型，以岩石动态抗拉强度为破坏判据。该模型不仅充分考虑了爆炸应力波和爆生气体综合作用的效果，而且具有模拟炸药、孔网参数等爆破因素的综合能力并可预报爆破块度，从而得到广泛应用。
(3)岩石爆破的损伤力学模型被认为是代表了爆破模型的最新研究水平和方向，但仍有以下几方面问题值得讨论：
首先，现有的损伤力学模型多以细观损伤理论为基本框架，以研究微裂纹型损伤为主。而微裂纹型损伤与微孔洞型损伤的最大区别在于，后者只导致各向同性，而前者则由于微裂纹取向影响而引起各向异性损 ，可见对于岩石爆破的损伤讨论应考虑各向异性性质。
1986年Talor与 引入Budiansky及0’Connel的有效体积模量、有效泊松比和裂纹密度的研究结果，建立了损伤变量与裂纹密度及其它参量的关系：
式中 为体积模量；V为泊松比； 为等效泊松比； 为裂纹密度；K,D意义同前。这样由上述式子构成了该模型的定解方程组。该模型对Kipp等模型进行了改进，扩大了适用范围。
2.爆破模型的研究现状
2.1弹性力学模型
(1)Ha岩石视为均质连续的弹性介质。假设岩石为以炮孔轴线为中心的厚壁圆筒，爆炸应力波使与炮孔轴线垂直的平面内质点产生径向位移，当径向位移派生出的切向应变值超过岩石的动态极限抗拉应变T时，岩石中形成径向裂隙。径向裂蹿数由下式决定：
[2]KutterH K andFairhurstC.On thefrsctureprocess in blasting.Int. J. Rock Mech. Min. Sic.Ceomech.Abstr.,1971,(8);181~202
我国岩石力学的研究现状及其进展
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岩土爆破发展现状分析报告
岩土爆破发展现状分析报告引言岩土爆破作为一种常用的工程技术手段，在建筑、矿山等领域具有重要的应用价值。
随着社会的不断发展，岩土爆破技术也在不断创新和进步。
本报告旨在分析当前岩土爆破的发展现状，了解其技术应用和存在的问题，并探讨未来的发展方向。
岩土爆破的技术应用岩土爆破技术广泛应用于建筑、矿山、交通等领域。
在建筑领域，岩土爆破可用于土方开挖、基坑支护和爆破拆除等工程；在矿山领域，岩土爆破用于露天采矿、井下巷道开挖等；在交通领域，岩土爆破则常用于隧道开挖和路基工程等。
岩土爆破技术通过爆破能量释放，将岩土体破碎，降低了开挖的难度和成本，提高了施工效率和质量。
岩土爆破的技术发展爆破材料的创新传统的岩土爆破常使用炸药作为能量源。
然而，炸药在使用过程中存在安全隐患和环境污染等问题。
为了解决这些问题，近年来出现了一些新型爆破材料的研发，如无烟药和高分子炸药等。
这些新型爆破材料不仅能提供足够的能量释放，还具有较低的爆炸产物和噪音。
爆破控制技术的进步为了减小爆破震荡对周围环境的影响，爆破控制技术得到了大幅度的进步。
现代化的爆破仪器设备能够实时监测爆破震动的强度和频率，并在施工过程中进行控制。
通过合理的爆破参数设计和监测，可以降低爆破震荡，保护周围建筑物和地下管线等设施的安全。
数值模拟在岩土爆破中的应用数值模拟技术是岩土爆破中的一个重要工具。
通过建立岩土体的数学模型和模拟爆破过程的力学行为，可以预测爆破震动、岩石破裂等情况。
数值模拟技术可以帮助工程师更好地设计爆破参数，提高爆破效果，减少不必要的损失。
岩土爆破的问题与挑战虽然岩土爆破技术有着广泛的应用前景，但其仍然面临一些问题和挑战。
环境污染问题爆破过程释放的炸药废气和噪音会对周围环境造成污染。
特别是在城市建设中，周围建筑和居民会受到较大的骚扰，甚至引发产生安全风险。
安全风险岩土爆破涉及爆炸物品的使用，安全风险不可忽视。
爆炸物品的储存、运输和使用过程都需要严格的管理。
谈谈岩石爆破损伤模型研究
谈谈岩石爆破损伤模型研究岩石开挖过程涉及到岩石力学、爆炸力学、工程爆破及损伤力学等多个领域，其中关键问题是爆破损伤控制，它在建立岩石稳定性先关分析方法和设计岩体爆破理论等方面具有指导意义。
同时在保障矿山开采安全和提高社会经济效益方面也具有重要作用。
因此有必要对岩石爆破损伤模型研究中存在的几个问题进行探讨。
一、岩石爆破损伤模型研究现状要想研究岩石爆破损伤机理和过程，必须对岩石爆破损伤模型进行研究，岩石爆破损伤模型在爆破参数设计优化和爆破技术研究方面起着重要作用。
目前岩石爆破损伤模型应用比较广泛的有两种模型，一种是流体弹塑性模型，另一种是弹塑性理论模型。
这两种模型之所以在该领域得到广泛应用，主要是因为其实用性强，模型清晰，且在很多情况下这种模型可以对岩石爆破机理做出合理解释，这种解释正是研究者们所需要的。
比如在处理高围压等爆破问题时，就可选择流体弹塑性模型对其进行研究。
在岩石爆破损伤模型研究进程中，断裂力学相关理论为其提供了必要的依据。
岩石爆破损伤模型研究重点在于从宏观层面出发，着重研究裂纹集合力学效应，而不对单个裂纹力学则不进行研究，这也是它的一个比较突出的特点。
因此，这种模型能更好的为岩石爆破破碎和岩石介质相关研究提供有力支撑。
另外岩石爆破损伤模型还有另外一个比较突出的特点，就是大部分岩石弹塑性模型可以运用到未受损的爆破岩石中，并且为其提供必要的试验参数和研究结果，在模型的模拟过程中，运用数值模拟技术可以模拟包括爆炸传播、岩石介质应力、介质运动等在内的爆炸损伤全过程。
就目前岩石岩石损伤模型应用情况看，其研究主要朝岩石破碎和岩石断裂理论为基础的方向发展，具体来说，这两个研究方向分别为岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型。
其中岩体微观爆破损伤模型是以损伤系数增加值或裂纹密度为依据，而另一种爆破损伤模型是以岩体裂纹开裂扩展为依据。
这两种损伤模型建立之前，应用最多的是Grady模型，应该说岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型是在Grady模型基础上发展起来的。
岩石爆破理论模型的研究现状及发展趋势
岩石爆破理论模型的研究现状及发展趋势3孙波勇,段卫东,郑峰,廖成孟(武汉科技大学理学院, 湖北武汉 430081)摘 要:介绍了岩石爆破理论模型研究的发展历程和国内外研究现状。
根据现有各理论模型所依据的理论基础,对模型的适用范围和存在的问题进行了分析、探讨,认为现有模型都存在一定的缺陷,不能满足目前工程爆破设计的要求,在此基础上,就爆破理论模型的发展趋势提出了一些看法。
关键词:爆破理论模型;弹性模型;断裂模型;损伤模型;非线形中图分类号:T D235.1 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2007)02-0069-03Presen t St a tus and D evelop m en t a l Trend ofTheoreti ca lM odels of Rock Bl a sti n gSun B oyong,D uan W eidong,Zheng Feng,L iao Chengm eng(College of Science,W uhan University of Science and Technol ogy,W uhan,Hubei430081,China) Abstract:The devel op ing course and the status quo of domestic and foreign research on theoretical models for r ock blasting are p resented.According t o the theoretical basis of the vari ous exist2 ent theoretical models,of which the app licati on range and exist2 ing p r oble m s are analyzed and discussed.It is considered that all the existent models have s ome certain deficiencies and there2 fore,cannot meet the demands of the design of actual engineer2 ing blasting.On this basis,this paper br ought for ward s ome o2 p ini ons on the devel opmental trends of theoretical models f or r ock blasting.Key W ords:Theoretical model f or r ock blasting,Elastic model, Fracture model,Da mage model,Nonlinearity0 引 言通过建立合理的岩石爆破理论模型,可以真实地再现爆破作用下岩石的破坏过程,揭示爆破作用下岩石的破碎规律,为完善和发展爆破理论、提高爆破设计技术提供理论依据[1]。
深部开采岩爆研究现状综述
深部开采岩爆研究现状综述深部开采岩爆研究现状综述摘要：岩爆是⼀种世界性的地质灾害，随着矿⼭开采深度的增加，岩爆已经成为⼀种越来越突出的潜在威胁，极⼤地威胁着矿⼭施⼯⼈员和设备的安全。
⽬前，国内外在岩爆⽅⾯做了⼤量的研究⼯作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和⽅法。
本⽂针对岩爆定义、岩爆发⽣机理、岩爆预测预报、岩爆控制的研究现状，进⾏了归纳分析与评述。
关键词：岩爆，岩爆发⽣机理，岩爆预测，研究现状前⾔随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，地下开采的深度越来越⼤。
近年来，我国⼀些⾦属矿相继进⼊深部开采，如云南会泽铅锌矿采深已超过1000m，铜陵冬⽠⼭铜矿采深已达1100m，抚顺红透⼭铜矿已进⼊900-1100m深度，湘西⾦矿超过850m，⼭东玲珑⾦矿采深⼰达800m。
深井矿⼭开采，最显著的变化是显现“⾼应⼒、⾼温和⾼孔隙⽔压”的“三⾼”特性，开采环境⼤⼤恶化，潜在的重⼤安全隐患增多。
岩爆作为地下⼯程的⼀⼤危害，直接威胁施⼯⼈员、设备的安全，影响⼯程进度，如何有效的减轻岩爆引起的灾害，已成为世界性的地下⼯程难题之⼀，并受到世界各国相关学者的⼴泛关注。
岩爆发⽣地点具有“随机性”、孕育过程具有“缓慢性”、发⽣过程具有“突发性”，对⽣产安全和⼯程可靠性的危害极⼤，已经严重影响了矿⼭的正常⽣产。
⽬前，国内外在岩爆⽅⾯做了⼤量的研究⼯作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和⽅法。
1、岩爆定义及分类1.1岩爆的定义时⾄今⽇还没有⼀个统⼀公认的岩爆定义。
在谈到岩爆时，⼈们通常会说岩爆就是⾼强度脆性岩⽯的猛烈破坏，或者说是储存在岩体内的弹性应变能突然释放。
国内普遍认为岩爆是地下⼯程或采矿过程中岩体破坏的⼀种形式。
它是处于⾼地应⼒或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动的扰动下，其内部储存的应⼒能瞬间释放，造成开挖空间周围部分岩体从母岩体中急剧、猛烈地突出或弹射出来的⼀种动态⼒学现象。
岩爆的发⽣常伴随着岩体震动。
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岩石爆破理论模型的研究现状及发展趋势*孙波勇,段卫东,郑峰,廖成孟(武汉科技大学理学院, 湖北武汉 430081)摘 要:介绍了岩石爆破理论模型研究的发展历程和国内外研究现状。
根据现有各理论模型所依据的理论基础,对模型的适用范围和存在的问题进行了分析、探讨,认为现有模型都存在一定的缺陷,不能满足目前工程爆破设计的要求,在此基础上,就爆破理论模型的发展趋势提出了一些看法。
关键词:爆破理论模型;弹性模型;断裂模型;损伤模型;非线形中图分类号:TD235.1 文献标识码:A 文章编号:1005-2763(2007)02-0069-03Presen t S tatus and Developmen tal T rend ofTh eoretica lM ode ls of R ock B l asti ng Sun Boyong,D uan W eidong,Zheng F eng ,L i ao Cheng m eng(Co llege o f Science ,W uhan U niversity of Sc i ence andT echno l ogy ,W uhan ,Hube i 430081,Chi na)Abstrac t :The deve l op i ng course and the stat us quo o f do m estic and foreign research on theo retical m odels f o r rock blasti ng are presented .A ccordi ng to the theoretical bas i s o f the various ex ist ent t heoretica lm ode ls ,of wh i ch the app licati on range and ex ist i ng prob l em s are analyzed and discussed .It is consi dered that all the ex istent models have so m e certa i n defi c ienc i es and t here fore ,cannot m ee t the de m ands o f t he desi gn of actua l eng i neer i ng b l asti ng .O n t h is basis ,th i s paper brought forward some o p i nions on the deve l op m ental trends o f t heoretica l m ode ls for rock b lasti ng .K ey W ords :Theoreti ca lm ode l f o r rock blasti ng ,E lastic m ode,l F racture m ode ,l D amage mode,l N on li near it y0 引 言通过建立合理的岩石爆破理论模型,可以真实地再现爆破作用下岩石的破坏过程,揭示爆破作用下岩石的破碎规律,为完善和发展爆破理论、提高爆破设计技术提供理论依据[1]。
岩石爆破破碎理论模型的研究是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题,日益受爆破学术界和爆破工程设计技术人员的关注。
岩石爆破破碎模型包括经验模型和理论模型两大类,前者是基于经验公式,适用于一定范围的具体工程设计和参数优化;后者是在爆破作用机理基础上建立的,普遍适用各种爆破计算和分析。
纵观岩石爆破理论模型及数值计算研究的发展历程,可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段、分形损伤理论4个阶段[2]。
1 岩石爆破理论模型研究发展历程与现状1.1 弹性理论阶段弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质连续弹性体,岩石在爆炸荷载作用下的破坏是爆破产生的应力超过其应力极限引起的,在此之前,岩石是弹性的[3]。
具有代表性的有H arries 模型和Favreau 模型,H arries 模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的准静态模型。
Favreau 模型是建立在爆炸应力波理论基础上的三维弹性模型,该模型充分考虑了压缩应力波及其在各个自由面的反射拉伸波和爆生气体膨胀压力的联合作用效果,最终以岩石动态抗拉强度作为破坏判据。
2.2 断裂理论阶段随着岩石断裂理论研究的深入,岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也被引入了爆破理论研究领域。
具有代表性的模型有BC M 模型和NAG -FRAG 模型。
BC M 模型也称层状裂缝岩石爆破模型,是美国能源部组织研究的用于二维有限差分应力波计算程序SHALE 中的岩石爆破模型。
该模型是在Gr iffith 裂缝传播理论基础上建立的,认为岩石中存在的微缺陷可以看作均匀分布的扁平状裂隙。
NAG -FRAG 模型认为爆破作用下岩石破坏范围及破坏程度取决于受应力波作用激活的裂纹数量及其扩展速ISS N 1005-2763CN 43-1215/TD 矿业研究与开发第27卷第2期M I N I NG R &D ,V o.l 27,N o .22007年4月A pr .2007*收稿日期:2006-06-08作者简介:孙波勇(1980-),男,湖北人,硕士研究生,从事岩土工程爆破研究,Em ai:l sunboyong @126.co m 。
度,该模型用一维爆炸波传播程序P UFF实现了爆破过程模拟,使用裂纹扩展临界应力作为开裂判据。
g0=K I C /4R*式中: g0 裂纹扩展临界应力;K Ic 断裂韧性;R* 临界半径。
1.3 损伤理论阶段1980年代初,美国Sand ia国家实验室开始进行岩石爆破损伤模型的研究。
1980年,K i p p和G rady 提出了最初的损伤模型,他们认为,原岩中存在大量随机分布的原生裂纹,在爆破作用下部分原生裂纹被激活 裂纹将发生扩展,激活的裂纹数服从指数分布,并引入损伤参量D表示这些裂纹开裂引起的岩石强度降低。
由于该模型所依赖的一些岩石参数不容易测定,使其应用受到限制。
1985年,Chen 和Tay l o r将O Conne ll关于损伤材料裂纹密度与有效体积模量、有效泊松比关系引入损伤模型,明确了损伤参量D与以上各参数的关系;1987年,J.S. Kusz m au l在前人研究的基础上,提出了新的岩石爆破损伤模型--KUS模型[4]。
KUS模型认为岩石的抗压强度远高于其抗拉强度,岩石的动载破坏本构模型可分为两部分,当岩石处于体积压缩状态时,属于弹塑性材料,而处于体积拉伸状态时,发生脆性断裂。
KUS模型在裂纹激活率和裂纹平均尺寸方面保持了K i p p和Grady提出的公式,在损伤参量D与裂纹密度及有效泊松比等参数的关系处理上采取了Tay l o r和Chen提出的公式,最后以D形式出现在岩石拉伸应力-应变关系式中。
我国有关岩石损伤理论的研究较晚,直到1980年代末期才开始研究以KUS模型为基础的损伤模型。
刘殿书[5]等在KUS模型理论基础上,建立了岩石爆破破碎过程的计算模型,修正了KUS模型中关于应力分量的计算理论和方法,从而纠正了KUS模型隐含的计算错误,并运用大型二维有限差分计算程序对柱状装药在不同起爆条件下的破碎过程进行模拟。
随后,杨小林[6]在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上,采用计算有效弹性模量的Tay lor方法建立了一个新的岩石爆破损伤模型,提出了岩石在爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。
1.4 分形损伤理论阶段1990年代,谢和平[7]等将分形几何的概念引入岩石的动态特性研究中,使爆破理论模型的研究又向前推进了一步。
1996年,杨军等[8]根据KUS和Thorne等的研究,利用分形理论及其应用成果提出一种新的岩石爆破模型,该模型将岩体中的各种结构弱面视为初始损伤,以分形维数作为岩石性质的主要参量,并将损伤和分形纳入热力学框架,从而克服了以往模型中未考虑初始损伤和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。
目前,广为大家所接受的爆破理论关系模型主要就是损伤模型和分形损伤模型。
2 现有理论模型的探讨(1)弹性力学模型解决了早期爆破物理模型无法定量的问题,将岩石简化为均质、连续、无任何缺陷的弹性体,虽然这种简化方式有利于裂纹和爆破块度尺寸的定量化,使得计算过程变得简单,但由于这种简化没有考虑到实际情况下岩石中必然存在大量的裂隙、节理和层理,而这些实际因素都对应力波的传播和岩石破碎块度有很大影响,因此,弹性模型有很大的局限性,仅适用于完整、坚硬的岩石。
(2)断裂力学模型考虑了岩石中的裂纹扩展及断裂破坏问题,该模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料,与实际工程爆破中岩石的破坏情况更相似,相对于弹性力学模型而言应该是前进了一步。
但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质,因此,仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂力学阶段,对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述,有一定的局限性,其适用范围只限于有层理或沉积类岩石。
(3)损伤力学模型从根本上揭示了岩石在爆破作用下破碎是岩石原有损伤聚集、发展的结果,对断裂力学模型而言又进了一步。
但该模型仍然具有一些是不容忽视的问题,除了计算的困难外,还存在如下缺陷:首先,用裂纹密度方法解决损伤因子的确定问题,在模型中采取裂纹激活假设,忽视了岩石中普遍存在的节理、裂隙、微孔洞等天然损伤对爆破作用的直接影响;其次,未考虑爆生气体对岩石的损伤和破坏作用,实际情况中,爆炸应力波对岩石形成的微损伤,在爆生气体的作用下会进一步发展,因此爆生气体对岩石的损伤和破坏是不容忽视。
损伤力学模型适用于各类岩石,相对于弹性模型和断裂模型在模拟岩石性质方面更加合理且接近实际,尽管还存在一些问题,在岩石爆破理论研究中该模型仍被广泛接受和采用。
70矿业研究与开发 2007,27(2)(4)分形损伤理论模型将分形几何引入损伤理论模型中,使节理、裂隙等宏观弱面能以分形维数的形式在爆破模型中得以体现,不仅考虑岩石原始损伤的影响,还将损伤演化过程的能量耗散联系起来,而且利用分形维数与破碎块度的关系能够实现爆破块度预报[9]。
但有关岩石内部分形维数计算还不成熟,损伤过程的分形与能量耗散的有关试验参数也不易获得,使得该模型的应用范围受到了很大限制,但随着研究的进一步深入,该模型将会得到更广泛的应用。
3 爆破理论模型研究发展趋势研究岩石爆破理论的目的,在于实现对爆破效果的有效控制,获得理想的爆破效果。
从实际应用效果来看,现有爆破理论模型都存在着许多不足之处,都需要进一步地改进和完善。