岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅲ——波纹关系

岩石爆破“三大关系(本构、动静、波纹)”是爆破理论研究的重要内容,爆炸应力波与裂纹的相互作用是影响岩石破碎效果的关键因素.本文围绕“炸药爆炸能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理”这一关键科学问题,聚焦爆炸应力波与静止裂纹(岩体中既有缺陷)的相互作用、爆炸应力波与爆炸裂纹的相互作用、爆炸应力波作用下裂纹间的相互作用、地应力与爆炸应力波耦合作用下的裂纹扩展等四个方面,深入探讨了不同爆炸应力波的传播方向和强度对裂纹扩展行为(包括裂纹扩展方向、速度和长度)的影响规律.现有研究发现爆炸应力波在静止裂纹处发生反射和衍射,产生“双马赫锥”现象,致使爆炸能量较多地积聚在静止裂纹周围,诱导静止裂纹周围产生损伤和破坏;爆炸膨胀波对迎面爆炸裂纹的扩展有抑制作用,剪切波对其扩展有促进作用,而在爆炸应力波与同向爆炸裂纹的相互作用过程中,爆炸膨胀波和剪切波对裂纹扩展速度的影响则相反;爆炸荷载下相向扩展的两条裂纹互为自由面,产生“咬合效应”,形成相互勾连的形状;地应力场能够促进平行最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,抑制垂直最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,且地应力场的主应力差值越大,爆炸裂纹沿最大主应力方向的扩展长度越长.研究成果可为优化爆破炮孔间距、延期时间等参数,实现精细调控爆炸裂纹扩展提供理论依据.

岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅱ—动静关系

炸药爆炸做功与岩体破碎耗能的耦合作用机理、炸药能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理,是岩石爆破基础理论需要解决的两个关键科学问题;“动静关系”研究是解决关键科学问题的重要途径之一.本文采用文献综述分析方法对2000年—2023年期间在中国知网数据库(CNKI)和科学引文索引数据库(WOS)收录的期刊论文进行了主题检索和分析,将岩石爆破“动静关系”研究划分为三个不同阶段:第Ⅰ阶段(2006年之前)、第Ⅱ阶段(2007年—2015年)和第Ⅲ阶段(2016年至今).确定了对“动静关系”研究有重要贡献的作者和研究机构,揭示了关键词及其共现关系,突出了研究的重点和趋势.通过对已有研究的系统梳理,结合作者团队已经开展的研究工作和成果,明确了新时期“动静关系”的研究方向,即爆炸应力波与爆生气体的动静能量分布与高效利用、考虑岩石爆破破裂真实物理过程的数值模拟算法、爆炸应力波与爆生气体动静破岩效果的量化调控.“动静关系”的深入研究将推动爆破工程从“经验主导”走向“理论指导”,从“粗放式”走向“精细化”.

岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅰ—本构关系

岩石爆破技术在国民经济建设中发挥着重要作用,尤其在资源开采、基础设施建设等领域.本文对岩石爆破本构关系进行了深入研究和探讨,在传统本构关系研究的基础上,提出了本构关系1.0、2.0和3.0的演化阶段,分别探讨了矛盾关系、能量平衡以及最小作用量理论.本构关系1.0从岩石与爆炸、冲击荷载的相互作用出发,强调了矛与盾的关系,重点分析了岩石材料的动态力学响应;本构关系2.0以能量为切入点,将含有节理裂隙、层理和腔体等缺陷以及显著各向异性的岩石视为复杂结构材料,研究荷载输入能量与材料破坏所需能量之间的动态平衡关系,解析结构强度与输入能、耗散能及可释放应变能之间的关联;本构关系3.0关注爆炸荷载下应力波的传播规律及其与介质破坏效应的关系,特别是通过最小作用量理论来优化能量的传播路径,提高炸药能量的利用效率.这些理论不仅揭示了岩石在不同荷载条件下的力学行为,还为优化爆破设计和改善爆破效果提供了理论依据.同时,本文结合人工智能和大数据技术,提出了岩石材料工程基因的概念,通过建立岩石基因库,系统化管理岩石的物理力学参数,构建性能预测模型,提升了对岩石特性的理解和工程应用的精确度.未来,岩石材料基因库有望在矿产资源开发、地质灾害防治和基础设施建设等领域发挥更大的作用,推动工程技术的发展和应用.

基于ACO-BP模型的岩石爆破破碎块度预测

为了对岩石爆破破碎块度进行有效预测,设计开展了混凝土试件钻孔爆破试验,得到不同试验条件下的破碎块度归一化值分布,最终选取试块尺寸40 mm以上进行研究。采用Spearman相关系数分析各试验条件参数之间的相关性,再采用蚁群算法(ACO)优化BP神经网络的初始权值和阈值,构建ACO-BP模型。结合现场试块爆破破碎块度数据对模型进行了训练和测试,并将预测模型与BP神经网络模型、随机森林(RF)模型、极限梯度提升(XGboost)模型进行了对比。结果表明,ACO-BP模型预测爆破块度均方根误差为0.13,平均绝对误差为0.11,决定系数为0.92,预测精度和适用性更高,能够更准确地预测岩石爆破破碎块度。

岩石爆破基础理论研究进展

随着仪器科学、测试技术和爆破领域相关交叉学科的跨越式发展,岩石爆破基础理论研究取得了丰硕的研究成果,为工程爆破技术开发和应用提供了科学指导。提出了岩石爆破基础理论研究的2个关键科学问题,即:炸药爆炸做功与岩体破碎耗能的耦合作用机理、炸药能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理。指出以岩石本构关系、动静关系、波纹关系和损伤评价为主线的系列研究是解决关键科学问题的具体途径,系统梳理了现阶段岩石爆破基础理论的研究进展。在此基础上,提出了3点研究展望,即:岩石爆破内部三维裂隙场的实时监测、考虑爆破物理过程的数值仿真算法、围岩爆破损伤的精准评价。

基于金属丝电爆炸的岩石爆破教学实验平台设计及应用

由于化学炸药使用受限,高校缺少岩石爆破实验平台,无法开展相关教学实验。该文设计了基于金属丝脉冲电爆炸的岩石爆破教学实验平台,并使用超高速摄像和数字散斑技术精细化监测岩石爆破超动态过程。平台由高压脉冲发生系统、触发控制系统、安全接地系统与超动态应变场非接触监测系统组成。平台使用负载金属丝相变产生千兆帕量级的冲击波破碎岩石,通过改变负载端金属丝的几何形态可模拟球状药包和柱状药包爆破破岩试验;超高速摄像与数字散斑技术将岩石爆破超动态破坏过程可视化。与传统化学爆破试验相比,该实验平台操作简单、安全可靠且精准可控,有助于提升岩石爆破教学效果与学生科研创新能力。

主动围压下岩石爆破裂纹扩展及邻近巷道动态响应

为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程,采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验,利用动态测试技术和高速摄像等方法,得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型,将无围压下的仿真结果与实验结果进行对比,验证数值模拟方法的可行性。在仿真软件平台中引入应力初始化的方法模拟围压下岩石的破坏过程,分析不同围压环境对岩石爆破裂纹扩展的影响以及偏围压系数k对巷道结构破坏过程的影响。研究结果表明:在双向等围压条件下,随着围压水平的提高,对裂纹的抑制作用越显著,对于巷道有更好的保护作用;在单向围压条件下,随着水平围压的增大,巷道遭到破坏程度越大,随着竖直围压的增大,巷道越不容易发生破坏;偏围压条件下,围压对于爆生裂纹扩展具有明显的导向性,裂纹会朝着主应力的方向扩展,随着围压的增大,裂纹导向性越显著;当偏围压系数k<1时,裂纹主要沿竖直方向扩展,巷道并未发生破坏,当k>1时,随着k的增大,巷道迎爆面左拱肩的破坏程度越大,巷道稳定性越差。

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。

岩石爆破模型研究综述

系统综述了岩石爆破模型的国内外研究现状，阐明了其基本思想。对岩石爆破模型作了简要评述，就岩石爆破模型的发展趋势提出了初步看法。

隧道岩石爆破掘进施工烟尘扩散规律及危害分析

本研究围绕隧道岩石爆破掘进施工中烟尘的产生、扩散规律及其对人体健康和环境的危害进行了详细分析。首先,通过探讨爆破烟尘的组成,揭示了岩石爆破过程中粉尘和有害气体的生成机制;随后,分析了烟尘在隧道中的扩散行为,包括水平运动、重力沉降和布朗扩散等。研究表明,粉尘颗粒的扩散距离受粒径大小、隧道内部气流等因素影响显著。此外,从呼吸系统受损、视线受阻和环境污染三个方面评估了烟尘的危害。针对上述问题,提出了增强隧道通风、采用湿式爆破技术和为工人提供个人防护装备等改善措施。

土方岩石爆破技术及其在工程建设中的应用分析

在工程建设中需要进行地基处理,在地基施工中会遇到不同的岩石层。因为地质构造的不同导致岩石层硬度也不同,土方开挖难度也不同,因此需要科学分析基础工程的建设特点和要求,根据工程方案和实际情况科学应用土方岩石爆破技术,满足施工要求。施工单位应用该技术前要进入现场勘察,制定科学的技术方案,把握关键工艺,做好参数设计、装药、起爆点等工作。并加强全过程的监督和管理,确保各个环节有效衔接,提高施工质量,保证现场安全和稳定。本文主要浅谈土方岩石爆破技术及其在工程建设中的应用分析,旨在发挥技术优势,为相关单位提供参考,制定系统性的防护措施。

岩石爆破破坏界面上的应力时程研究

根据岩石爆破变形与破坏特征,利用空腔膨胀理论对爆破破坏区的破坏特性进行了研究,给出了破坏区范围大小及破坏区与未破坏区(弹性振动区)交界面上的应力变化时程曲线。借助经典的爆炸力学理论和回归拟合曲线方法,验证了爆炸空腔大小、应力波的应力峰值、应力波的作用时间。数值分析计算结果表明,理论计算的应力波时程特征与经典爆炸力学给出的时程特性基本一致。

岩石爆破损伤模型研究的几个问题

讨论了岩石爆破损伤模型研究的几个基本问题。主要内容包括冲击波与爆生气体在爆破过程中的作用、损伤参量的确定和损伤演化规律表述方法、损伤模型及其实用性以及开展进一步研究的设想。

小尺度岩石爆破引起电磁辐射的野外实验观测结果

为探索地震电磁辐射（EMR）现象的机理,我们在野外进行了爆破岩石引起电磁辐射的实验.此次实验共取得26次小尺度岩石爆破的中低频（<5000Hz）电磁辐射资料.本文给出了该野外实验的某些有代表性的观测结果.结果表明:26个爆破点中20个爆点附近不同程度记录到与爆破过程有关的EMR现象,其强度随与爆点距离增加而减少,随爆破能量增大而增大;EMR记录具有某种重复性（相同条件下）、复杂性（多次辐射效应）和区域性特征;并受测区岩性结构条件。爆破源能量和观测方向等多种条件的影响。

岩石爆破损伤断裂的细观机理

基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学 ,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段 ,并分别建立了这两个阶段的损伤模型和断裂准则 。

不耦合装药结构对岩石爆破的影响

为了研究不耦合装药结构对爆破效果的影响,在实验室中采用水泥砂浆模型对不耦合装药结构进行了模型实验,并对爆破块度和爆炸应力波进行筛选及统计与测试分析.采用AUTODYNA有限元分析软件对不耦合装药结构爆炸应力波在岩石传播过程中粉碎圈、裂隙形成进行了数值模拟研究.模型实验研究表明,不耦合装药结构可提高炸药能量利用率及改善爆破块度分布;数值模拟结果显示,炸药和炮孔壁之间的间隙可以改变应力波在炮孔壁上的加载率,延长了应力波和气体的作用时间,显著地降低了粉碎圈厚度,提高了炸药能量的利用率和爆破的效果.

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上，利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤，并将其分形维数作为岩石性质的主要参量，用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律，从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。

应力波衰减基础上的岩石爆破损伤模型

在TCK损伤模型基础上 ,考虑岩石冲击损伤过程的声波测试衰减规律 ,构造新的岩石爆破损伤模型。将该模型装进LS DYNA3D动态有限元程序 ,通过岩石冲击损伤实验验证该程序的计算结果 。

岩石爆破破碎时间及微差起爆延时优化

利用分形理论分析岩石爆破的破碎时间，提出了岩石爆破破碎时间的计算方法和微差起爆延时优化的一种途径。

岩石爆破中的空孔效应数值计算分析

为从理论上研究控制爆破中空孔效应的影响因素和探讨空孔设置(孔距、孔径等)的依据,采用了数值模拟计算和正交设计原理相结合的研究方法,对常见空孔设置情况进行数值模拟,分析了在控制爆破中空孔效应对岩石中应力波传播规律的影响程度,并对孔间距系数(孔距与装药孔直径的比值)、空孔直径和炸药种类3个因素进行了正交设计,得出了孔间距系数对导向作用影响最大的结论,提出了设计空孔的合理有效原则。