【采矿课件】爆炸应力波研究入门

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,*,PPT,文档演模板,Office,PPT,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,2024/10/1,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门2022/10/10【采矿课件,煤矿生产中，不可避免地产生爆破载荷，其主要形式：巷道掘进（炮掘）、岩爆、瓦斯爆炸以及其他动力型灾害。如何尽可能减少爆破应力波对岩石损伤与破坏，有效保护爆后保留岩体的稳定性，成为目前研究探讨的热门话题。,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,煤矿生产中，不可避免地产生爆破载荷，其主要形式,通过大量实验发现：在爆炸源附近岩石中形成冲击波，影响半径为装药半径的3-7倍；随冲击波向外传播，应力幅值不断衰减，波速不断降低，最后演变成应力波，其影响半径为装药半径的120-150倍，随应力波进一步传播衰减，又演变成地震波起影响半径为装药半径的150倍。考虑影响半径以及其应力幅值衰弱程度则主要研究应力波对围岩结构的影响和作用效果。,勒夫波(Q波),塑性波,应力波,弹性波,面波,体波,纵波(P波),横波(S波),瑞利波(R波),压缩波,剪切波,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,通过大量实验发现：在爆炸源附近岩石中形成冲击波，,当外载荷作用于可变形的固体的局部表面时，,一开始只有直接受到外载荷作用的表面部分的介质质点因变形而离开了初始平衡位置，由于这部分介质质点与相邻介质质点发生了相对运动，必然将受到相邻质点的作用力，同时也给相邻介质质点予反作用力，因而使相邻介质质点离开平衡位置而运动起来。由于质点的惯性，相邻介质质点的运动将滞后于表面介质质点的运动。依次类推，外载荷在表面引起的扰动将在介质中逐渐由近及远传播开去。这种扰动在介质中的由近由近及远的传播即是应力波。其中的扰动与未扰动的分界面称为波阵面，而扰动的传播速度称为应力波波速。,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,当外载荷作用于可变形的固体的局部表面时,主要内容,一、应力波基础知识,二、岩石动力学实验技术,三、数值分析,四、前人研究结论成果,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,主要内容一、应力波基础知识【采矿课件】爆炸应力波研究入门,一、应力波基础知识,无限介质中的弹性应力波,一维长杆中的应力波,应力波反射叠加引起的破坏,岩石中的爆破应力波,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,一、应力波基础知识无限介质中的弹性应力波【采矿课件】爆炸应力,1 无限介质中的弹性应力波方程,弹性波的两种基本形式：无旋波和等容波,波动方程统一形式如下：,表示波的位移势函数，C表示弹性波的,波速。对无旋波C=C,1,，对等容波C=C,2,E为弹性模量，为泊松比，,为介质密度,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,1 无限介质中的弹性应力波方程 弹性波的两种基本,2 一维长杆中的应力波,基本假设一：杆截面在变形过程中保持平面，沿轴向只有均布的轴向应力。使得各运动参量都只是X和t的参数，问题化为一维。,基本假设二：材料的本构关系限于应变率无关理论，不考虑应变率对应力的影响。,一维杆中纵波的控制方程如下：,C为一维杆中的应力波速度,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,2 一维长杆中的应力波 基本假设一：杆截面,2.1 一维杆中应力波方程求解,（右行波）,（左行波）,方程求解得到：,对于线弹性应力波则有：,（右行波）,（左行波）,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,2.1 一维杆中应力波方程求解（右行波）方程求解得到：对于线,2.2 弹性波在固定端和自由端的反射,有限长杆中的弹性波传播到另一端时，将发生反射，边界条件决定反射波的性质。入射波与反射波的总效果可按叠加原理确定。,V,o,o,V,2,3,1,1,2,3,图,图,图1，v,2,=-v,1,则有v,3,=0,3,2,1,两波相遇处质点速度为，而应力加倍相当于法向入射弹性波固定端（刚壁）反射，反射波是入射波的正象，拉伸波反射为拉伸波，压缩波反射为压缩波,图2，v,2,=v,1,则有v,3,=2v,2,3,0两波相遇处质点应力为，而速度加倍相当于法向入射弹性波自由端（自由表面）反射，反射波是入射波的倒象，拉伸波反射为压缩波，压缩波反射为拉伸波,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,2.2 弹性波在固定端和自由端的反射 有限长,2.3 HOPKINSON.J落重冲击拉伸实验,一端固定的钢丝悬挂着一物体，重物从距离物体h处下落（如图所示），结果，钢丝断开，被拉断的一端是B。在固定端最早达到反射后的应力叠加，大小为原来两倍。,B,A,落重,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,2.3 HOPKINSON.J落重冲击拉伸实验,3 应力波反射叠加引起的破坏,入射到自由表面的压缩波经反射会形成拉伸波。这些反射回来的拉伸波将与入射压缩波的后续部分相互作用，其结果有可能在邻近的自由表面附近造成拉应力，如果所形成的拉应力满足某种动态的断裂准则，则将在该处引起材料破断，裂口足够大时，整块的裂片便会携带着其中的动量而飞离。,层裂的过程中，在第一层层裂出现的同时，也形成了新的自由表面，继续入射的压力脉冲在此新的自由表面反射，从而有可能造成第二层层裂。依次类推，在一定条件下会形成多层层裂。,爆破应力源,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,3 应力波反射叠加引起的破坏入射到自由表面的压缩波经反,应力波源(点载荷),反射波,入射波,心裂,点载荷（应力波）引起直圆柱体的破裂（角裂、心裂）,点载荷（应力波）对不同厚度板引起的破裂（角裂）,内部爆炸加载引起方形筒的破裂（角裂）,应力波源,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,应力波源(点载荷)反射波入射波心裂点载荷（应力波）引起直圆柱,4 岩石中的爆破应力波,炸药爆炸在岩石中激起的应力波（爆炸应力波主要是弹性应力波）,爆炸应力波在岩石中的传播方式及过程,应力波传播的过程应力波对岩体结构作用的过程,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4 岩石中的爆破应力波应力波传播的过程应力波对岩体结构作,4.1 爆炸载荷,耦合装药：炸药充满整个药室径向空间，不留有任何空隙。反之，不耦合。,耦合条件下,Q,V,为炸药的爆热，,0,为炸药的密度，D为炸药的爆速，p、u、c分别为爆轰波阵面的压力、产物密度、质点速度与声速,通过实验确定炸药爆速求各个值,不耦合条件下,P,m,为爆轰产物开始是平均爆轰压,P,i,入射压,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.1 爆炸载荷 耦合装药：炸药充满整个,4.2 岩石中的应力波速,弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度及其动力变形参数E,d,，,d,有关。因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.2 岩石中的应力波速 弹性波在介质中,4.3 岩体中应力波波速的测定,地震法,声波法,选择代表性测线，布置测点和安装声波仪,发生正弦脉冲，向岩体内发射声波,记录纵、横波在岩体中传播的时间,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.3 岩体中应力波波速的测定地震法选择代表性测线，布置测点,4.4 岩石中的应力波波速,岩石中的应力波速度大小是岩石孔隙率、弹性模量、结构完整性等的综合反应。利用实验测得的岩石（岩体）内纵波和横波速度，可以计算得到岩石的动态弹性模量和动态泊松比等性质参数。,式中，C,s,为岩石中的横波速度，,d,，E,d,，G,d,，K,d,，,d,分别为岩石的动态泊松比、岩石的动态弹性模量、动态剪切模量、动态体积弹性模量、动态拉梅常数,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.4 岩石中的应力波波速 岩石中的应力,4.5 影响应力波在岩体中的传播速度的因素,不同岩性岩体中传播波速不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。,沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。,在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。,随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。,岩体处于常温时，波速随温度增高而降低。反之相反,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.5 影响应力波在岩体中的传播速度的因素不同岩性岩体中传播,4.6 岩石中爆炸应力波的衰减,爆炸源近区，冲击波压力衰减规律：,为比距离（距离药室中心的距离与药室半径的比值），,r,为径向应力峰值，a为压力衰减指数。,冲击波衰减指数,应力波衰减指数,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.6 岩石中爆炸应力波的衰减爆炸源近区，冲击波压力衰减规律,4.7 相关研究现状,应力波通过结构面的传播结构面两侧为相同岩石的应力波反、透射；结构面两侧岩石可自由滑动时的应力波反、透射。,层状岩石中应力波的传播利用等效波阻抗法分析单频应力波通过岩石夹层的透射；三角形应力波通过夹层的透射；李夕兵等总结不同应力波形通过夹层的透射应力特征。,顺岩石表面传播的应力波瑞利表面波、勒夫表面波、纵波（膨胀波）沿边界的传播；平板中波的传播。,卢爱红通过数值模拟手段对应力波在粘弹性介质中传播规律的分析.得到:应力波频率越高衰减幅度越大;波速增加,衰减系数越小;延迟时间的增加导致衰减系数增大。,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,4.7 相关研究现状 应力波通过结构面的传播结,二、,岩石动力学实验技术分离式霍布金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)Test,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,二、岩石动力学实验技术分离式霍布金森压杆Split H,1 岩石动力学实验,通过霍布金森压杆测试系统，可以记录加载脉冲的应力应变、应力时间、应变时间、应变率时间动态曲线,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,1 岩石动力学实验 通过霍布金森压杆测试系统，可,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,相关研究现状,中国矿业大学的单仁亮利用SHPB对花岗岩、大理岩的本构关系进行研究。得到：花岗岩峰前应力应变曲线大多近似直线，说明在这阶段岩石具有良好的线弹性；而峰后冲击速度低则曲线出现回弹，冲击速度高则曲线中随应变增加应力不断降低（岩石试件破碎）。大理岩峰前直线的斜率受冲击速度影响，速度越大，弹性模量越大。,中国科技大学的席道瑛等利用SHPB进行长杆冲击试验，通过对波形的拉格郎日分析和路径分析，得到大理岩、砂岩在干燥、饱煤油条件下动态本构关系。发现：大理岩的结构构造相对于砂岩均匀致密；卸载曲线模量大于加载曲线模量,北京科技大学的于亚伦利用SPHB对不同围压下砂岩的动态本构关系和强度特性进行研究。不同应变率条件下，试件屈服前，其变形表现为线弹性变形，屈服后出现应变软化。,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,相关研究现状 中国矿业大学的单仁亮利用SHPB对,三、数值模拟分析,目前国内使用较多的程序是LS-DYNA程序,它是一个显示非线性动力分析通用的有限元程序,可以求解各种二维、三维爆炸动力响应问题，运用该程序对硐室爆炸、台阶爆炸、药壶爆炸进行的数值模拟。,数值方法主要是利用特征线方法、有限元法、有限差分法等。,其他软件：,SWAP、AUTODYNA、JOY,等等,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,三、数值模拟分析 目前国内使用较多的程序是LS-,X,y,z,钢外壳,混凝土,炸药,实例介绍：,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,Xyz钢外壳混凝土炸药实例介绍：【采矿课件】爆炸应力波研究入,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,【采矿课件】爆炸应力波研究入门,吴详云等推导了平面应变条件下的圆形硐室结构动力计算方法，给出了圆形硐室结构动力分析的解析解，并对不同结构厚度及不同坚硬岩体进行了计算，得到了符合宏观定性分析的计算结果：在 截面厚度不变的情况下，结构控制断面的弯矩随着岩石坚硬系数