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陈宗基讲座 : 岩石爆炸动力学的若干进展 PDF

作者:钱七虎院士

摘要:论述岩石爆炸动力学原理及其工程应用研究近年来的若干进展,主要内容包括爆炸空腔范围以及各类破坏区范围的理论确定方法,地下爆炸近区的“短波”和“弱波”理论,爆炸远区——弹性区的运动和力学参数以及地下爆炸时岩石破碎等理论研究成果。同时还介绍了实验室条件下均匀介质中爆炸效应的规律和地应力、裂隙、浅埋时等不均匀、不连续性影响因素的实验室模拟爆炸试验研究。在相关研究的基础上,给出实际岩体中的爆炸效应试验,包括近区破坏效应、远区地震效应、不可逆变形区以及地下爆炸和浅埋(抛掷和定向)爆炸中相似关系的最新成果。此外,简要介绍岩石爆炸动力学在不同领域中的工程应用,并就今后岩石爆炸动力学研究的展望阐述一点认识。

1 引 言

岩石爆炸动力学研究岩石和岩体中爆炸的力学效应,其特点应从与空气中、水下爆炸效应的对比才能理解更深刻。空气中和水下爆炸时的物理景象和介质的运动已经研究得很全面和很详尽,相比之下,岩石中地下爆炸的物理机制和介质的运动和破坏的研究还很不透彻。
无论空气中爆炸,水下爆炸或岩、土中的爆炸,就爆炸现象的物理本质来说,都是在有一个限空间内快速地释放出巨大能量,从而导致周围介质的非定常运动过程。如果爆炸发生在空气中,传播扰动的波阵面是随距离衰减的冲击波,爆炸能量通过冲击波转递给周围介质,同时也通过冲击波的几何扩展和波阵面处的阻尼耗损爆炸能量。从本质上说,空气中的爆炸作用理论可以归纳为爆炸产生的空气冲击波的传播与衰减规律。在水下爆炸中,情况稍有不同,除了冲击波外,还产生水中气泡的脉动,冲击波所携带和耗散的能量和气泡脉动所耗散的能量各占整个爆炸能量一半左右。

岩体中地下爆炸的现象远比空气和水中复杂得多,在其整个景象中,各个过程相互紧密相连:从炸药的爆轰开始,到在冲击波压缩下的岩、土介质相变,再到周围岩体的破坏,最后至地震波的激发。炸药爆轰完成后,冲击波在岩石介质中开始传播,并很快蜕变成压缩波(在2~5 倍装药半径Rz范围内),这类压缩波的压力上升梯度很大,其应力上升区间长度S1与整个应力波传播的距离S2相比甚短,因此被称为“短波”。由于短波的应力(径向)幅值量级小于104MPa ,且小于岩石压缩模量,其所引起的岩石变形是一个微量,在更远的距离上则更小,所以它又被称为“弱波”。试验结果表明,“弱波”的传播速度接近于岩石中纵波的传播波速。另在岩体中地下爆炸时,爆炸能主要耗散于岩石介质的不可逆变形和破坏以及推动周围岩石介质的运动。

2 岩石爆炸动力学的理论研究

2.1 岩石中地下封闭爆炸时爆炸空腔及各类破坏范围的半径

地下爆炸时介质的运动、变形和破坏与空腔的扩张密切相关,如图1所示。空腔的扩张以及介质的运动、变形和破坏的研究可以分为几个阶段:当空腔中的爆炸产物压力大于0.1@量级,此时可以忽略岩石中主应力分量的差值,即剪应力的影响,空腔的扩张可以看作为在不可压缩流体中的扩张;第二阶段为冲击压碎阶段,此时岩石中应力超过岩石的压碎强度:在破坏波与空腔之间岩石的运动为仅具内摩擦力的破碎岩块的运动;再之后阶段为空腔的动力无波扩张阶段,此时破坏波速小于先导的弹性波速,在破坏波与空腔之间介质仍看作为具有内摩擦力的破碎材料;最后一个阶段是弹性波传播阶段。弹性波开始于破坏区停止发展的瞬间,弹性介质的运动仅保持于外部的弹性区内。

岩石破坏示意图1—弹性变形区;2—径向破裂区;3—破碎区;4—空腔

2.2 岩石中地下爆炸时破坏区内运动参数的衰减规律

弹性体模型适用于弹性波的传播,具有小变形的弹塑性模型(形变模型)对于应力幅值超过弹性限不多的情况证明是适用的,而理想塑性体模型正好相反,适用于非常高的压力区,此时岩石在动力载作用下的行为接近于流体动力行为。在中间过渡区域岩石的描述问题是一个更值得关注的问题。

2.3 岩石中地下爆炸时弹性区运动参数及地表运动参数

当炸药在地下爆炸时,会对周围介质产生破坏和震动效应。浅埋地下爆炸条件下属于弹性区内的爆炸地震效应的地表运动,可以用弹性动力学理论进行研究。整个非弹性区(破坏区)看成爆炸的震动源。

2.4 地下爆炸时岩石破碎的计算原理

  1. 计算模型:爆炸气体膨胀做功的同时,将能量传给周围岩体介质,由于爆炸应力波阵面传播速度很快,因而可认为能量传播过程瞬间完成,爆炸气体做功转换成破坏岩体介质的压缩变形能和岩体介质的动能,由于岩石破坏的压缩变形能较其动能小很多,因此可近似认为爆炸能全部转换成周围岩石介质的动能。这样一来,爆炸对周围岩体破碎的作用过程可近似简化为2 个阶段:第一阶段相应于爆炸应力波传播过程,在此过程中炸药将其爆炸能转交给周围岩石介质,而且近似地假定全部转变成介质的动能,这个过程持续时间极短,由于岩石中应力波可假设瞬间完成。在此阶段内,介质没有任何变形发生;第二阶段介质以其在第一阶段获得的速度开始运动,由于周围介质获得的速度为非均匀的球对称扩展,因此介质随即产生变形,最终导致岩石的破坏或振动,这个阶段持续时间将由运动速度决定。
  2. 速度场:爆炸能量转递给周围介质的过程可以归纳为爆炸瞬间理想不可压缩流体中在一个比冲量作用下的状态的确定。
  3. 介质的变形;
  4. 破坏准则;
  5. 破碎区;
  6. 块度组成;
  7. 均匀破碎;
  8. 破碎的持续时间。

2.5 大规模地下爆炸作用下岩体中的岩块运动

岩体为由断裂构造、裂隙、层理和节理所分割的地质体。按照М. А. Сабовский 院士的观点,岩体是一个复杂的层次构造系统,即岩体是块体的集合体,这些块体被软弱层所分开,这些软弱层包括填充的或部分填充的断层和裂隙。大规模的地下爆炸试验表明,在爆炸作用下,这些岩块在不同层次的等级上发生转动和移动,且主要是转动。由于岩块的运动,岩块产生不可逆的相对线位移和角位移。由于爆炸作用下岩块运动涉及到非常复杂的力学过程,在这节中只能介绍最可能的也是最概略的岩块的块间运动的机制和模型,以能估算块体运动参数和爆炸威力(当量)、与爆炸源的距离、软弱层的特性、应力状态等关系。

  1. 岩系中岩块的惯性移动(平动)模型
  2. 块系中岩块的转动模型

3 岩石爆炸动力学的试验研究

3.1 岩石中爆炸波的基本参数及其相似关系

岩土中爆炸作用的相似律可表述为:对于同一种爆炸装药,在与装药尺寸(装药半径、埋深或其他线性尺寸)比例相同的比例距离上,在相同介质中的爆炸作用参数相等。其条件是可忽略重力作用的相似,否则几何相似律不能采用为岩土中爆炸作用的相似律,而需予以修正。由于装药尺寸是装药质量的1/ 3 次方,所以几何相似律又可表述为广泛应用的能量相似律。

3.2 岩体中爆炸效应若干问题的室内试验研究

  1. 地应力对岩体中爆炸破坏的影响;
  2. 岩体中的裂隙对爆炸波运动参数的影响;
  3. 岩体中裂隙对爆炸岩石破坏的影响。

3.3 实际岩体中爆炸效应的试验研究

  1. 地下强爆炸条件下岩体变形;
  2. 连续介质力学模型不适用性产生的物理本质;
  3. 地下强爆炸条件下岩体局部不可逆变形对地下工程的危害及其估算。

3.4 爆炸抛掷效应的试验研究和效应中的相似关系

爆炸抛掷,又称抛掷爆破,是地下爆炸的一种类型。其典型特点是形成漏斗坑,其大小由装药能量,装药的埋置深度以及岩土特性决定。对于每一种岩土,给定了炸药量后,存在一个最佳埋深,在该埋深爆炸,该药量形成的漏斗坑最大。

  1. 土的运动与飞散;
  2. 抛掷漏斗坑的基本参数和重力相似;
  3. 抛掷大爆破中重力相似实验室模拟。

4 岩石爆炸动力学的工程应用

  1. 采矿工程领域
  2. 水利建筑工程领域
  3. 建设地下储库工程领域
  4. 油、气开采工程领域
  5. 民用建筑工程领域
  6. 交通工程领域

SOME ADVANCES IN ROCK BLASTING DYNAMICS

Abstract:The principles of rock blasting dynamics and related engineering applications in the recent years are reviewed. The main issues are covered in blasting cave range,various determination methods for failure zones,theories of short-wave and weak-wave in near-field of cave blasting,the movement in plastic regions and mechanical parameters in far-field,and rock fracture under blasting for underground works. The laws of blasting effects in uniform media in indoor test are also introduced,which include heterogeneous and homogeneous characteristics of geostress,fissure,and shllow-buried cave in laboratory simulation or experimental test. The actual rock blasting tests are touched in failure effects of near-field,seismic effects in far-field,and irreversible deformation regions. The latest similarity research results in underground blasting,shallow-buried blasting (throwing and directional blastings) are also presented. In addition,engineering applications of rock blasting dynamics in various fields are briefly introduced. Filnally,some ideas and prospects are proposed for later research in rock blasting dynamics.
Key words:rock mechanics;blating dynamics;blating effects;failure zone;irreversible deformation region

 

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2010-2-5 作者 readwiki 发布于分类: 岩土工程 | 关键字 : 岩石力学 爆炸动力学 爆炸效应 破坏区 不可逆变形区 PDF | 浏览 | 评论 0
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