聚能效应在岩土工程爆破中的应用研究

论文摘要

本文对聚能药包应用于岩石定向断裂爆破进行了研究。随着科学技术的发展，越来越多地牵涉到聚能装药对岩土的侵彻问题。为了获得平整的岩石开挖面和井巷轮廓线，提高石料开采的成材率，同时，为了降低巷道围岩受损伤的程度，以便提高其稳定性能，普通的光面爆破已经不能适应生产的需求，而在其基础上发展起来的岩石定向断裂爆破得到了广泛的应用，聚能药包岩石定向断裂爆破就是一种用药量少，效果好的方法。线型聚能装药切割岩石爆破的过程是一个十分复杂的二维非定常流动力学过程，而且岩石的性质相当复杂，各种裂隙、节理发育，给理论计算和现场实验带来许多困难。 本文首先对聚能射流的侵彻机理进行了分析，总结了前人研究的聚能射流侵彻的工程计算，并给出了定常理想不可压缩、准定常理想不可压缩、考虑靶体强度的准定常不可压缩的聚能射流对靶体侵彻深度的表达式，以及聚能射流的径向侵彻计算公式和聚能射流形成的临界条件，即药型罩的压垮速度必须小于材料的体积声速，否则射流将是非凝聚的和扩散的。 同时，本文总结了爆破理论的形成及发展，对爆炸应力波在岩体中的传播特性进行了分析。基于爆炸动力学、岩石断裂力学理论，从宏观上对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向切裂缝的形成，切缝尖端裂纹的形成、起裂、扩展和贯通进行了研究，以及对装药结构、用药量和炮孔间距的设计进行了理论阐述，给出了主要爆破参数计算公式；同时从分子微观结构的作用势来对聚能效应做了一些探讨与分析。将炮孔周围岩体看成具有圆形孔道的无限大弹性体，称粉碎区以外的裂隙扩展范围为塑性区，裂缝(隙)区以外为弹性区。应用爆破冲击波理论，推导了炮孔周围的粉碎区、裂缝(隙)区内的应力大小及各区的范围，从理论上建立了炮孔装药量与致裂范围即炮孔间距之间的关系。从理论上对炮孔堵塞物的作用机理及其在炮孔中运动规律的进行了探讨，推导出了炮孔

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚能效应及其发展史
• 1.1.1 聚能效应的发现
• 1.1.2 国外关于聚能原理的研究
• 1.1.3 国内研究情况
• 1.2 国外关于药型罩材料、结构及工艺等方面的研究
• 1.2.1 药型罩的结构及材料选择
• 1.3 国内关于药型罩材料、结构及工艺等方面的研究
• 1.4 聚能效应在军事方面的应用
• 1.5 聚能装药在工业中的应用
• 1.6 研究意义
• 1.7 研究内容
• 参考文献
• 第二章 聚能射流的侵彻理论计算
• 2.1 聚能射流的侵彻
• 2.2 聚能射流的流体力学理论
• 2.2.1 射流侵彻的解析理论
• 2.2.2 聚能射流的径向侵彻计算
• 2.2.3 射流形成的临界条件
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 聚能炸药切割岩石的相关分析与研究
• 3.1 引言
• 3.2 爆炸应力波在岩体中的传播特性
• 3.3 爆破理论的形成及发展
• 3.4 聚能装药的作用原理
• 3.5 聚能药包岩石定向断裂爆破裂纹形成机理
• 3.6 岩石受外载荷的作用下的分子势能转化原理
• 3.7 定向断裂控制爆破的微观成缝机理
• 3.8 裂缝（纹）扩展的力学分析
• 3.8.1 裂缝（纹）的形成与扩展的条件
• 3.8.2 裂纹的扩展方向
• 3.9 单孔装药量
• 3.10 炮孔间距的确定
• 3.11 炮孔内装药结构
• 3.12 聚能切割器的设计原则
• 3.13 应用举例
• 3.14 本章小结
• 参考文献
• 第四章 炮孔装药量与炮孔间距关系的研究
• 4.1 引言
• 4.2 炸药爆炸对目标岩体的影响
• 4.3 爆炸荷载作用下的岩石破坏准则
• 4.4 爆炸应力波破裂区的计算
• 4.4.1 冲击波作用形成的粉碎区
• 4.4.2 弹性区应力分析
• 4.4.3 塑性区应力分析
• 4.4.4 炮孔间距
• 4.4.5 单孔装药量
• 4.6 本章结论
• 参考文献
• 第五章 炮孔堵塞长度的研究
• 5.1 引言
• 5.2 炮孔堵塞的作用机理
• 5.2.1 堵塞物开始移动前所需的时间
• 5.2.2 堵塞物移出炮孔所需的时间
• 5.3 堵塞长度
• 5.4 堵塞材料
• 5.5 有无堵塞钻孔爆破试验
• 5.6 本章小论
• 参考文献
• 第六章 炮孔装药结构的理论计算与分析
• 6.1 引言
• 6.2 不耦合装药结构对炮孔壁岩石受力的影响
• 6.2.1 不耦合系数与孔壁径向压力及正压作用时间的关系
• 6.2.2 不耦合系数与孔壁切向应力的关系
• 6.3 确定炮孔装药不耦合系数的准则
• 6.4 不耦合装药条件下的炮孔压力理论分析
• 6.5 炮孔装药不耦合系数的确定
• 6.5.1 轴向不耦合系数
• 6.5.2 径向不耦合系数
• 6.6 工程应用
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 线性聚能药包的应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 聚能射流切割原理概述
• 7.3 聚能切割器切割钢板实验
• 7.3.1 聚能切割器和靶体的制备
• 7.3.2 实验结果
• 7.4 炸高的选取
• 7.5 楔型罩张开角度的确定
• 7.6 聚能爆破岩石定向断裂理论
• 7.6.1 爆炸动压的控制
• 7.6.2 定向裂缝的扩展和止裂
• 7.6.3 裂纹扩展方向
• 7.6.4 单孔药量
• 7.6.5 炮孔间距的确定
• 7.7 聚能切割器的设计
• 7.8 砂浆试块切割试验
• 7.9 现场试验
• 7.10 本章小结
• 参考文献
• 第八章 关于聚能效应的新设想
• 8.1 多面聚能射孔压裂用于排放煤层瓦斯的设想
• 8.1.1 背景介绍
• 8.1.2 新工艺的设想
• 8.1.3 实验研究
• 8.1.4 多面聚能射孔压裂用于排放煤层瓦斯的设想的结论
• 8.2 环向切割解决台阶爆破或巷（隧）道掘进的根底问题
• 8.2.1 背景介绍
• 8.2.2 新工艺的设想
• 8.3 聚能射孔拉裂岩石爆破的设想
• 8.3.1 新工艺的设想
• 8.3.2 多点聚能射孔拉伸爆破装置
• 8.3.3 多点聚能射孔拉伸爆破原理及其特点
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 聚能射流切割钢板的数值模拟
• 9.1 引言
• 9.2 爆炸力学中数值模拟概况
• 9.3 本文数值模拟方法
• 9.4 线型聚能装药射流形成过程的数值模拟
• 9.4.1 计算模型
• 9.4.2 聚能射流形成过程的数值模拟
• 9.5 实验验证
• 9.6 本章小结
• 参考文献
• 第十章 全文总结及展望
• 10.1 本文的主要研究工作及创新
• 10.2 研究工作展望
• 致谢
• 攻博期间发表论文情况