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螺旋切槽孔松动爆破力学机理及试验研究

郑周练  
【摘要】:切槽孔爆破是用于定向断裂控制,主要造成径向断裂发展的非对称性,使爆破能量优先作用于特定方向。将切槽控制爆破技术引入岩体松动爆破领域:螺旋切槽孔松动爆破将传统的轴向切槽方式进行改变,即把沿轴向平行的直槽改成绕轴线旋转螺旋切槽。切槽方向在轴向和径向之间变化,这种切槽方式可以调整切槽的密度,控制爆破块径。用该方法爆破时,相对普通松动爆破产生的粉碎区小,爆破范围大,节省能耗,成本低,工期短,爆破振动较小,可减少爆破粉尘、噪声、振动对环境的影响,具有较大的应用推广价值。 用断裂力学理论和Westergaard方法,确定了复变应力函数,推导出螺旋切槽在准静态压力作用下的裂纹尖端平面应力、应变场。定义了螺旋切槽孔松动爆破的应力强度因子表达式。能较好地反映螺旋切槽孔的断裂力学性能,是竖直V型切槽爆破、直线裂纹等现有理论的推广。 应用岩石断裂力学和爆生气准静态理论,得到了螺旋切槽在不耦合装药条件下裂缝的起裂、扩展、止裂规律。并研究了螺旋切槽孔爆破裂纹扩展速度、裂缝宽度和裂缝扩展长度的理论计算式,分析了螺旋切槽的几何尺寸对裂缝扩展以及爆炸应力波对螺旋切槽尖端应力分布的影响,获得了螺旋切槽孔在爆生气体膨胀作用下的裂隙生长抑制区。 采用了水泥砂浆模型胎具切槽液压+膨胀剂法的室内模型试验,模拟爆破的准静态过程。得到1)相同的螺旋角,模型的抗压强度越大,起裂所需压力也就越大; 2)在相同的抗压强度下,有螺旋切槽的模型比圆孔所需的起裂压力小;3)螺旋切槽模型起裂沿螺旋切槽尖端方向起裂并扩展等结论。 在螺旋切槽孔松动爆破机理研究的基础上,采用不耦合装药方式,对爆破参数加以分析研究,得到主要参数的理论表达式。 应用ANSYS程序,对螺旋切槽孔进行空间弹性和弹塑性的数值分析,得到1)在螺旋切槽孔内应力分布是不均匀的,在切槽尖端附近,有集中拉应力作用;2)在整个螺旋切槽孔内存在拉压间隔分区,在距离切槽尖端较远处,应力变化较慢,而在距切槽尖端较近处,应力变化急剧增加;3)在较高的切向拉应力作用下,使得切槽尖端处的径向裂纹首先开裂;4)通过弹塑性分析,塑性区在切槽尖端产生,随着荷载加大,塑性区面积在切尖扩大并向切尖方向发展。因此,裂纹在切槽尖端产生,裂纹的扩展方向也是塑性区的继续扩展的方向,即沿切槽尖端方向扩展;5)通过对理论分析和ANSYS数值分析进行对比,证明了在螺旋切槽尖端得出的应力场表达式是基本正确的,同时也证明了进行理论分析时的假设和近 WP=6 似是合理的。 通过现场对比试验,证明螺旋切槽孔松动爆破在工程中应用是可行的,在控制爆破块径、增大爆破范围方面有较大的优势;并且能够降低工程成本、缩短工期、减少爆破粉尘、噪声、振动对环境的影响。为工程应用、推广提供了理论依据和实践经验。


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