采矿课件爆炸应力波入门.pptx

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,*,爆破载荷下围岩的稳定性,2005.12.24,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,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,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,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,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,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）,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,2.3HOPKINSON.J落,重,重冲,击,击拉,伸,伸实,验,验,一端,固,固定,的,的钢,丝,丝悬,挂,挂着,一,一物,体,体，,重,重物,从,从距,离,离物,体,体h,处,处下,落,落（,如,如图,所,所示,）,），,结,结果,，,，钢,丝,丝断,开,开，,被,被拉,断,断的,一,一端,是,是B,在,固,固定,端,端最,早,早达,到,到反,射,射后,的,的应,力,力叠,加,加，,大,大小,为,为原,来,来两,倍,倍B,A,落重,3,应,应力,波,波反,射,射叠,加,加引,起,起的,破,破坏,入射,到,到自,由,由表,面,面的,压,压缩,波,波经,反,反射,会,会形,成,成拉,伸,伸波,。

这,些,些反,射,射回,来,来的,拉,拉伸,波,波将,与,与入,射,射压,缩,缩波,的,的后,续,续部,分,分相,互,互作,用,用，,其,其结,果,果有,可,可能,在,在邻,近,近的,自,自由,表,表面,附,附近,造,造成,拉,拉应,力,力，,如,如果,所,所形,成,成的,拉,拉应,力,力满,足,足某,种,种动,态,态的,断,断裂,准,准则,，,，则,将,将在,该,该处,引,引起,材,材料,破,破断,，,，裂,口,口足,够,够大,时,时，,整,整块,的,的裂,片,片便,会,会携,带,带着,其,其中,的,的动,量,量而,飞,飞离,层裂,的,的过,程,程中,，,，在,第,第一,层,层层,裂,裂出,现,现的,同,同时,，,，也,形,形成,了,了新,的,的自,由,由表,面,面，,继,继续,入,入射,的,的压,力,力脉,冲,冲在,此,此新,的,的自,由,由表,面,面反,射,射，,从,从而,有,有可,能,能造,成,成第,二,二层,层,层裂,依,次,次类,推,推，,在,在一,定,定条,件,件下,会,会形,成,成多,层,层层,裂,裂爆破应力源,应力,波,波源(点,载,载荷),反射,波,波,入射,波,波,心裂,点载,荷,荷（,应,应力,波,波）,引,引起,直,直圆,柱,柱体,的,的破,裂,裂（,角,角裂,、,、心,裂,裂）,点载,荷,荷（,应,应力,波,波）,对,对不,同,同厚,度,度板,引,引起,的,的破,裂,裂（,角,角裂,）,）,内部,爆,爆炸,加,加载,引,引起,方,方形,筒,筒的,破,破裂,（,（角,裂,裂）,应力,波,波源,4,岩,岩石,中,中的,爆,爆破,应,应力,波,波,炸药,爆,爆炸,在,在岩,石,石中,激,激起,的,的应,力,力波,（,（爆,炸,炸应,力,力波,主,主要,是,是弹,性,性应,力,力波,）,）,爆炸,应,应力,波,波在,岩,岩石,中,中的,传,传播,方,方式,及,及过,程,程,应力,波,波传,播,播的,过,过程,应,应力,波,波对,岩,岩体,结,结构,作,作用,的,的过,程,程,4.1,爆,爆炸,载,载荷,耦合,装,装药,：,：炸,药,药充,满,满整,个,个药,室,室径,向,向空,间,间，,不,不留,有,有任,何,何空,隙,隙。

反,反之,，,，不,耦,耦合,耦合,条,条件,下,下,Q,V,为炸,药,药的,爆,爆热,，,，,0,为炸,药,药的,密,密度,，,，D,为,为炸,药,药的,爆,爆速,，,，p,、,、,、,、u、c分,别,别为,爆,爆轰,波,波阵,面,面的,压,压力,、,、产,物,物密,度,度、,质,质点,速,速度,与,与声,速,速,通过,实,实验,确,确定,炸,炸药,爆,爆速,求,求各,个,个值,不耦,合,合条,件,件下,P,m,为爆,轰,轰产,物,物开,始,始是,平,平均,爆,爆轰,压,压,P,i,入射,压,压,4.2,岩,岩石,中,中的,应,应力,波,波速,弹性,波,波在,介,介质,中,中的,传,传播,速,速度,仅,仅与,介,介质,密,密度,及,其,其动,力,力变,形,形参,数,数E,d,，,d,有关,因,此,此可,以,以通,过,过测,定,定岩,体,体中,的,的弹,性,性波,速,速来,确,确定,岩,岩体,的,的动,力,力变,形,形参,数,数4.3,岩,岩体,中,中应力,波,波波速,的,的测定,地震法,声波法,选择代,表,表性测,线,线，布,置,置测点,和,和安装,声,声波仪,发生正,弦,弦脉冲,，,，向岩,体,体内发,射,射声波,记录纵,、,、横波,在,在岩体,中,中传播,的,的时间,4.4,岩,岩石,中,中的应,力,力波波,速,速,岩石中,的,的应力,波,波速度,大,大小是,岩,岩石孔,隙,隙率、,弹,弹性模,量,量、结,构,构完整,性,性等的,综,综合反,应,应。

利,用,用实验,测,测得的,岩,岩石（,岩,岩体）,内,内纵波,和,和横波,速,速度，,可,可以计,算,算得到,岩,岩石的,动,动态弹,性,性模量,和,和动态,泊,泊松比,等,等性质,参,参数式中，C,s,为岩石,中,中的横,波,波速度,，,，,d,，E,d,，G,d,，K,d,，,d,分别为,岩,岩石的,动,动态泊,松,松比、,岩,岩石的,动,动态弹,性,性模量,、,、动态,剪,剪切模,量,量、动,态,态体积,弹,弹性模,量,量、动,态,态拉梅,常,常数,4.5,影,影响,应,应力波,在,在岩体,中,中的传,播,播速度,的,的因素,不同岩,性,性岩体,中,中传播,波,波速不,同,同，岩,体,体愈致,密,密坚硬,，,，波速,愈,愈大，,反,反之，,则,则愈小,沿结构,面,面传播,的,的速度,大,大于垂,直,直结构,面,面传播,的,的速度,在压应,力,力作用,下,下，波,速,速随应,力,力增加,而,而增加,，,，波幅,衰,衰减少,；,；反之,，,，在拉,应,应力作,用,用下，,则,则波速,降,降低，,衰,衰减增,大,大随岩体,中,中含水,量,量的增,加,加导致,弹,弹性波,速,速增加,岩体处,于,于常温,时,时，波,速,速随温,度,度增高,而,而降低,。

反之,相,相反,4.6,岩,岩石,中,中爆炸,应,应力波,的,的衰减,爆炸源,近,近区，,冲,冲击波,压,压力衰,减,减规律,：,：,为比距,离,离（距,离,离药室,中,中心的,距,距离与,药,药室半,径,径的比,值,值），,r,为径向,应,应力峰,值,值，a,为,为压力,衰,衰减指,数,数冲击波,衰,衰减指,数,数,应力波,衰,衰减指,数,数,4.7,相,相关,研,研究现,状,状,应力波,通,通过结,构,构面的,传,传播,结,结构面,两,两侧为,相,相同岩,石,石的应,力,力波反,、,、透射,；,；结构,面,面两侧,岩,岩石可,自,自由滑,动,动时的,应,应力波,反,反、透,射,射层状岩,石,石中应,力,力波的,传,传播,利,利用等,效,效波阻,抗,抗法分,析,析单频,应,应力波,通,通过岩,石,石夹层,的,的透射,；,；三角,形,形应力,波,波通过,夹,夹层的,透,透射；,李,李夕兵,等,等总结,不,不同应,力,力波形,通,通过夹,层,层的透,射,射应力,特,特征顺岩石,表,表面传,播,播的应,力,力波,瑞,瑞利表,面,面波、,勒,勒夫表,面,面波、,纵,纵波（,膨,膨胀波,）,）沿边,界,界的传,播,播；平,板,板中波,的,的传播,。

卢爱红,通,通过数,值,值模拟,手,手段对,应,应力波,在,在粘弹,性,性介质,中,中传播,规,规律的,分,分析.,得,得到:,应,应力波,频,频率越,高,高衰减,幅,幅度越,大,大;波,速,速增加,衰减,系,系数越,小,小;延,迟,迟时间,的,的增加,导,导致衰,减,减系数,增,增大二、,岩石动,力,力学实,验,验技术,分离式,霍,霍布金,森,森压杆,SplitHopkinsonPressureBar(SHPB)Test,1,岩石动,力,力学实,验,验,通过霍,布,布金森,压,压杆测,试,试系统,，,，可以,记,记录加,载,载脉冲,的,的应力,应变,、,、应力,时间,、,、应变,时间,、,、应变,率,率时,间,间动态,曲,曲线,相关研,究,究现状,中国矿,业,业大学,的,的单仁,亮,亮利用SHPB对花,岗,岗岩、,大,大理岩,的,的本构,关,关系进,行,行研究,得到,：,：花岗,岩,岩峰前,应,应力应,变,变曲线,大,大多近,似,似直线,，,，说明,在,在这阶,段,段岩石,具,具有良,好,好的线,弹,弹性；,而,而峰后,冲,冲击速,度,度低则,曲,曲线出,现,现回弹,，,，冲击,速,速度高,则,则曲线,中,中随应,变,变增加,应,应力不,断,断降低,（,（岩石,试,试件破,碎,碎）。

大,大理岩,峰,峰前直,线,线的斜,率,率受冲,击,击速度,影,影响，,速,速度越,大,大，弹,性,性模量,越,越大中国科,技,技大学,的,的席道,瑛,瑛等利,用,用SHPB进,行,行长杆,冲,冲击试,验,验，通。