采礦課件爆炸應(yīng)力波研究入門

1、爆破載荷下圍巖的穩(wěn)定性2005.12.24 煤礦生產(chǎn)中，不可避免地產(chǎn)生爆破載荷，其主要形式：巷道掘進(jìn)（炮掘）、巖爆、瓦斯爆炸以及其他動(dòng)力型災(zāi)害。如何盡可能減少爆破應(yīng)力波對(duì)巖石損傷與破壞，有效保護(hù)爆后保留巖體的穩(wěn)定性，成為目前研究探討的熱門話題。 通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在爆炸源附近巖石中形成沖擊波，影響半徑為裝藥半徑的3-7倍；隨沖擊波向外傳播，應(yīng)力幅值不斷衰減，波速不斷降低，最后演變成應(yīng)力波，其影響半徑為裝藥半徑的120-150倍，隨應(yīng)力波進(jìn)一步傳播衰減，又演變成地震波起影響半徑為裝藥半徑的150倍?？紤]影響半徑以及其應(yīng)力幅值衰弱程度則主要研究應(yīng)力波對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響和作用效果。勒夫波(Q波)塑性波

2、應(yīng)力波彈性波面波體波縱波(P波)橫波(S波)瑞利波(R波)壓縮波剪切波 當(dāng)外載荷作用于可變形的固體的局部表面時(shí)， 一開始只有直接受到外載荷作用的表面部分的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)因變形而離開了初始平衡位置，由于這部分介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然將受到相鄰質(zhì)點(diǎn)的作用力，同時(shí)也給相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)予反作用力，因而使相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置而運(yùn)動(dòng)起來。由于質(zhì)點(diǎn)的慣性，相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將滯后于表面介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。依次類推，外載荷在表面引起的擾動(dòng)將在介質(zhì)中逐漸由近及遠(yuǎn)傳播開去。這種擾動(dòng)在介質(zhì)中的由近由近及遠(yuǎn)的傳播即是應(yīng)力波。其中的擾動(dòng)與未擾動(dòng)的分界面稱為波陣面，而擾動(dòng)的傳播速度稱為應(yīng)力波波速。主要內(nèi)容一、應(yīng)力

3、波基礎(chǔ)知識(shí)二、巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)三、數(shù)值分析四、前人研究結(jié)論成果一、應(yīng)力波基礎(chǔ)知識(shí)無限介質(zhì)中的彈性應(yīng)力波一維長(zhǎng)桿中的應(yīng)力波應(yīng)力波反射疊加引起的破壞巖石中的爆破應(yīng)力波1 無限介質(zhì)中的彈性應(yīng)力波方程 彈性波的兩種基本形式：無旋波和等容波波動(dòng)方程統(tǒng)一形式如下： 表示波的位移勢(shì)函數(shù)，C表示彈性波的波速。對(duì)無旋波C=C1，對(duì)等容波C=C2E為彈性模量，為泊松比，為介質(zhì)密度2 一維長(zhǎng)桿中的應(yīng)力波 基本假設(shè)一：桿截面在變形過程中保持平面，沿軸向只有均布的軸向應(yīng)力。使得各運(yùn)動(dòng)參量都只是X和t的參數(shù)，問題化為一維。 基本假設(shè)二：材料的本構(gòu)關(guān)系限于應(yīng)變率無關(guān)理論，不考慮應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力的影響。 一維桿中縱波的控制方程

4、如下： C為一維桿中的應(yīng)力波速度2.1 一維桿中應(yīng)力波方程求解（右行波）（左行波）方程求解得到：對(duì)于線彈性應(yīng)力波則有：（右行波）（左行波）2.2 彈性波在固定端和自由端的反射 有限長(zhǎng)桿中的彈性波傳播到另一端時(shí)，將發(fā)生反射，邊界條件決定反射波的性質(zhì)。入射波與反射波的總效果可按疊加原理確定。VooV231123圖圖圖1，v2=-v1,則有v3=0,321兩波相遇處質(zhì)點(diǎn)速度為，而應(yīng)力加倍相當(dāng)于法向入射彈性波固定端（剛壁）反射，反射波是入射波的正象，拉伸波反射為拉伸波，壓縮波反射為壓縮波圖2，v2=v1,則有v3=2v2,30兩波相遇處質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力為，而速度加倍相當(dāng)于法向入射彈性波自由端（自由表面）反射，

5、反射波是入射波的倒象，拉伸波反射為壓縮波，壓縮波反射為拉伸波2.3 HOPKINSON.J落重沖擊拉伸實(shí)驗(yàn) 一端固定的鋼絲懸掛著一物體，重物從距離物體h處下落（如圖所示），結(jié)果，鋼絲斷開，被拉斷的一端是B。在固定端最早達(dá)到反射后的應(yīng)力疊加，大小為原來兩倍。BA落重3 應(yīng)力波反射疊加引起的破壞入射到自由表面的壓縮波經(jīng)反射會(huì)形成拉伸波。這些反射回來的拉伸波將與入射壓縮波的后續(xù)部分相互作用，其結(jié)果有可能在鄰近的自由表面附近造成拉應(yīng)力，如果所形成的拉應(yīng)力滿足某種動(dòng)態(tài)的斷裂準(zhǔn)則，則將在該處引起材料破斷，裂口足夠大時(shí)，整塊的裂片便會(huì)攜帶著其中的動(dòng)量而飛離。層裂的過程中，在第一層層裂出現(xiàn)的同時(shí)，也形成了新的

6、自由表面，繼續(xù)入射的壓力脈沖在此新的自由表面反射，從而有可能造成第二層層裂。依次類推，在一定條件下會(huì)形成多層層裂。爆破應(yīng)力源應(yīng)力波源(點(diǎn)載荷)反射波入射波心裂點(diǎn)載荷（應(yīng)力波）引起直圓柱體的破裂（角裂、心裂）點(diǎn)載荷（應(yīng)力波）對(duì)不同厚度板引起的破裂（角裂）內(nèi)部爆炸加載引起方形筒的破裂（角裂）應(yīng)力波源4 巖石中的爆破應(yīng)力波炸藥爆炸在巖石中激起的應(yīng)力波（爆炸應(yīng)力波主要是彈性應(yīng)力波）爆炸應(yīng)力波在巖石中的傳播方式及過程應(yīng)力波傳播的過程應(yīng)力波對(duì)巖體結(jié)構(gòu)作用的過程4.1 爆炸載荷 耦合裝藥：炸藥充滿整個(gè)藥室徑向空間，不留有任何空隙。反之，不耦合。耦合條件下QV為炸藥的爆熱，0為炸藥的密度，D為炸藥的爆速，p、

7、 、u、c分別為爆轟波陣面的壓力、產(chǎn)物密度、質(zhì)點(diǎn)速度與聲速通過實(shí)驗(yàn)確定炸藥爆速求各個(gè)值不耦合條件下Pm為爆轟產(chǎn)物開始是平均爆轟壓Pi入射壓4.2 巖石中的應(yīng)力波速 彈性波在介質(zhì)中的傳播速度僅與介質(zhì)密度及其動(dòng)力變形參數(shù)Ed，d有關(guān)。因此可以通過測(cè)定巖體中的彈性波速來確定巖體的動(dòng)力變形參數(shù)。 4.3 巖體中應(yīng)力波波速的測(cè)定地震法聲波法選擇代表性測(cè)線，布置測(cè)點(diǎn)和安裝聲波儀發(fā)生正弦脈沖，向巖體內(nèi)發(fā)射聲波 記錄縱、橫波在巖體中傳播的時(shí)間 4.4 巖石中的應(yīng)力波波速 巖石中的應(yīng)力波速度大小是巖石孔隙率、彈性模量、結(jié)構(gòu)完整性等的綜合反應(yīng)。利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖石（巖體）內(nèi)縱波和橫波速度，可以計(jì)算得到巖石的動(dòng)態(tài)彈性

8、模量和動(dòng)態(tài)泊松比等性質(zhì)參數(shù)。式中，Cs為巖石中的橫波速度，d，Ed，Gd，Kd，d分別為巖石的動(dòng)態(tài)泊松比、巖石的動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)剪切模量、動(dòng)態(tài)體積彈性模量、動(dòng)態(tài)拉梅常數(shù)4.5 影響應(yīng)力波在巖體中的傳播速度的因素不同巖性巖體中傳播波速不同，巖體愈致密堅(jiān)硬，波速愈大，反之，則愈小。沿結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣却笥诖怪苯Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑サ乃俣取?在壓應(yīng)力作用下，波速隨應(yīng)力增加而增加，波幅衰減少；反之，在拉應(yīng)力作用下，則波速降低，衰減增大。隨巖體中含水量的增加導(dǎo)致彈性波速增加。巖體處于常溫時(shí)，波速隨溫度增高而降低。反之相反 4.6 巖石中爆炸應(yīng)力波的衰減爆炸源近區(qū)，沖擊波壓力衰減規(guī)律：為比距離（距離藥室中心的距離與藥

9、室半徑的比值），r為徑向應(yīng)力峰值，a為壓力衰減指數(shù)。沖擊波衰減指數(shù)應(yīng)力波衰減指數(shù)4.7 相關(guān)研究現(xiàn)狀 應(yīng)力波通過結(jié)構(gòu)面的傳播結(jié)構(gòu)面兩側(cè)為相同巖石的應(yīng)力波反、透射；結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石可自由滑動(dòng)時(shí)的應(yīng)力波反、透射。 層狀巖石中應(yīng)力波的傳播利用等效波阻抗法分析單頻應(yīng)力波通過巖石夾層的透射；三角形應(yīng)力波通過夾層的透射；李夕兵等總結(jié)不同應(yīng)力波形通過夾層的透射應(yīng)力特征。 順巖石表面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波瑞利表面波、勒夫表面波、縱波（膨脹波）沿邊界的傳播；平板中波的傳播。 盧愛紅通過數(shù)值模擬手段對(duì)應(yīng)力波在粘彈性介質(zhì)中傳播規(guī)律的分析.得到:應(yīng)力波頻率越高衰減幅度越大;波速增加,衰減系數(shù)越小;延遲時(shí)間的增加導(dǎo)致衰減系數(shù)增大。

10、二、巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)分離式霍布金森壓桿Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) Test1 巖石動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 通過霍布金森壓桿測(cè)試系統(tǒng)，可以記錄加載脈沖的應(yīng)力應(yīng)變、應(yīng)力時(shí)間、應(yīng)變時(shí)間、應(yīng)變率時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線相關(guān)研究現(xiàn)狀 中國礦業(yè)大學(xué)的單仁亮利用SHPB對(duì)花崗巖、大理巖的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究。得到：花崗巖峰前應(yīng)力應(yīng)變曲線大多近似直線，說明在這階段巖石具有良好的線彈性；而峰后沖擊速度低則曲線出現(xiàn)回彈，沖擊速度高則曲線中隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力不斷降低（巖石試件破碎）。大理巖峰前直線的斜率受沖擊速度影響，速度越大，彈性模量越大。 中國科技大學(xué)的席道瑛等利用SHPB進(jìn)行長(zhǎng)桿沖擊試驗(yàn)，通過對(duì)

11、波形的拉格郎日分析和路徑分析，得到大理巖、砂巖在干燥、飽煤油條件下動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)：大理巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造相對(duì)于砂巖均勻致密；卸載曲線模量大于加載曲線模量 北京科技大學(xué)的于亞倫利用SPHB對(duì)不同圍壓下砂巖的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究。不同應(yīng)變率條件下，試件屈服前，其變形表現(xiàn)為線彈性變形，屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化。三、數(shù)值模擬分析 目前國內(nèi)使用較多的程序是LS-DYNA程序,它是一個(gè)顯示非線性動(dòng)力分析通用的有限元程序,可以求解各種二維、三維爆炸動(dòng)力響應(yīng)問題，運(yùn)用該程序?qū)鲜冶?、臺(tái)階爆炸、藥壺爆炸進(jìn)行的數(shù)值模擬。 數(shù)值方法主要是利用特征線方法、有限元法、有限差分法等。 其他軟件：SWAP、 AUTOD

12、YNA 、 JOY等等Xyz鋼外殼混凝土炸藥實(shí)例介紹： 吳詳云等推導(dǎo)了平面應(yīng)變條件下的圓形硐室結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算方法，給出了圓形硐室結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的解析解，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)厚度及不同堅(jiān)硬巖體進(jìn)行了計(jì)算，得到了符合宏觀定性分析的計(jì)算結(jié)果：在 截面厚度不變的情況下，結(jié)構(gòu)控制斷面的彎矩隨著巖石堅(jiān)硬系數(shù)的增加而減少；結(jié)構(gòu)的軸力隨著巖石堅(jiān)硬系數(shù)的增加而減少；在巖石堅(jiān)硬系數(shù)不變的情況下，結(jié)構(gòu)控制斷面的彎矩隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加而增加。巖體中錨噴支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算研究四、前人研究結(jié)論成果 謝勇謀等分析了開挖爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在圍巖的傳播及對(duì)圍巖的影響，即爆破產(chǎn)生的P波與R波將分別在圍巖中產(chǎn)生垂直和平行于圍巖表面的拉張破裂面，

13、這些破裂面可能是微觀的，也可能是宏觀的。爆破對(duì)巖爆產(chǎn)生作用的初步探討 易長(zhǎng)平等運(yùn)用LS-DYNA軟件研究了爆破震動(dòng)對(duì)鄰近隧道的影響，分析了不同爆破方式下對(duì)鄰近隧道的不同影響。開挖爆破對(duì)鄰近隧洞的震動(dòng)影響研究 盧愛紅在博士論文應(yīng)力波誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究中，應(yīng)用LS-DYNA軟件中的失效分析功能，研究圍巖的巖性（關(guān)鍵層的性質(zhì)）、埋深（同一應(yīng)力波強(qiáng)度條件下）及應(yīng)力波特征（應(yīng)力波強(qiáng)度、應(yīng)力波上升時(shí)間）對(duì)應(yīng)力波作用下巷道圍巖的失效破壞的影響。得到：對(duì)于不同埋深的巷道，在給定應(yīng)力波強(qiáng)度條件下(P=15Mpa），研究表明：巷道圍巖層裂破壞結(jié)構(gòu)的形成與巷道埋深的有關(guān)，若埋深在一定范圍內(nèi)（H500m）時(shí)

14、，隨巷道埋深的增加，巷道層裂的范圍有增大的趨勢(shì)，巷幫層裂破壞范圍變大，使得層裂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，釋放的能量加大，向巷道內(nèi)涌出的巖體量增加。隨關(guān)鍵層彈性模量的增加，巷幫層裂破壞范圍具有變大的趨勢(shì)。 利用LS-DYNA系統(tǒng)模擬了應(yīng)力波作用下巷道圍巖的應(yīng)力分布和能量積聚特征，探討了圍巖應(yīng)力、能量分布隨時(shí)間t、巷道埋深H、擾動(dòng)應(yīng)力波強(qiáng)度對(duì)二者的影響。通過研究表明：在應(yīng)力波作用下，圍巖中的正應(yīng)力隨時(shí)間呈波動(dòng)變化，加上巷道邊界的反射作用等，使得巷道圍巖應(yīng)力比沒有擾動(dòng)時(shí)顯著增加； 擾動(dòng)應(yīng)力波作用的一側(cè)巷幫應(yīng)力受其影響最大，分析得到：左幫水平應(yīng)力的最大增幅達(dá)到190%，垂直應(yīng)力的最大增幅達(dá)到217%，等效應(yīng)力最大增

15、幅達(dá)到47%。 應(yīng)用相似模擬試驗(yàn)的方法，分析應(yīng)力波特性、巖性參數(shù)對(duì)巷道圍巖的破壞以及測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的影響。得到：隨著距離的增加，應(yīng)力波的時(shí)域波形由脈沖形式變化為正弦波形式，并且最大幅值隨著距離的增加而減少。而且應(yīng)力波的衰減與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，材料性質(zhì)越軟，應(yīng)力波在材料中衰減得越快；并再現(xiàn)了巷道圍巖在應(yīng)力波作用下的破壞歷程。 在巷道正上方施加爆破載荷，改變爆源與巷道頂板的距離，巷道離爆源越遠(yuǎn)就不會(huì)出現(xiàn)裂紋，隨距離的減少，裂紋的數(shù)目與長(zhǎng)度均增加；在巷道正右方施加爆炸載荷，隨爆源與巷道左幫距離的減少，巷幫出現(xiàn)裂紋的數(shù)目與長(zhǎng)度增加，同時(shí)巷幫周圍的煤壁脫落嚴(yán)重；在相同地應(yīng)力作用下，不同方位的爆破應(yīng)力波對(duì)巷道圍巖

16、產(chǎn)生的影響幾乎相同。 目前巖體中開挖隧道，大多采用錨噴有機(jī)結(jié)合的支護(hù)方式,使得洞室周圍的松動(dòng)圍巖形成一個(gè)具有一定厚度的圍巖加固層，在爆炸載荷的作用下該加固層將發(fā)生較大的位移，也就是錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著加固的圍巖一起運(yùn)動(dòng)，形成圍巖和深層巖體的剛度差,這樣有利于巖體動(dòng)應(yīng)力的傳播,將大應(yīng)力引入剛度大的巖體深處。嚴(yán)禁隱瞞、虛報(bào)生產(chǎn)安全事故。7月-227月-22Monday, July 25, 2022推行ISO9000不走樣，企業(yè)生存發(fā)展有希望。10:08:2110:08:2110:087/25/2022 10:08:21 AM質(zhì)量出效益，點(diǎn)滴成江河。7月-2210:08:2110:08Jul-2225-Jul-22廁所衛(wèi)生要注意,干凈清潔常保持。10:08:2110:08:2110:08Monday, July 25, 2022人人講安全，安全為人人。7月-227月-2210:08:2110:08:21July 25, 2022今日的質(zhì)量，明日的市場(chǎng)。2022年7月25日10:08 上午7月-227月-22樹立自我信心，把握各工段流程；消滅疵點(diǎn)起因，管理操作是關(guān)鍵。25 七月 202210:08:21 上午10:08:217月-22安全是增產(chǎn)的細(xì)胞，隱患是事故的胚胎。七月 2210:08 上午7月-2210:08July 25,