不耦合装药爆破孔壁压力特性研究

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爆破技术被广泛用于水利水电、矿山、交通、市政等基础建设领域,其中不耦合装药轮廓爆破更是开挖轮廓成型及爆破效应控制的重要手段。不耦合装药爆破的孔壁压力特性直接影响到岩体损伤范围和轮廓成型质量,也是进行轮廓爆破设计以及非流固耦合爆破数值模拟分析的关键参数,因此全面分析和确定不耦合装药爆破孔壁压力特性有着重要的理论意义及工程应用价值。论文采用理论分析、流固耦合动力有限元数值模拟以及爆炸试验相结合的方法,研究了不耦合装药爆破孔壁压力特性。论文的主要工作和研究成果如下:(1)根据冲击波的质量守恒、能量守恒、动量守恒三大方程以及多方气体状态方程和边界条件,详细的分析了空气冲击波与孔壁的相互作用过程,推导出冲击波与孔壁作用后的透射压力p3与入射压力p1的比值关系p3/p1,得出不耦合装药爆破冲击波压力峰值与炮孔介质条件、不耦合系数、炸药性能有关,其中不耦合系数和炸药性能对冲击波压力峰值影响较大,炮孔介质条件对冲击波压力峰值影响较小。(2)基于ls-dyna进行流固耦合动力有限元数值分析,研究了花岗岩、石灰岩、砂岩三种岩石介质条件,乳化炸药、多孔粒状铵油炸药两种轮廓爆破常用炸药,25/42、25/50、32/76、32/90、32/110五种常用轮廓爆破不耦合装药结构,以及装药系数为1.0、0.6和0.3三种轴向装药结构工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数。结果表明:不耦合装药爆破时,爆破冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值,上述工况对应的压力增大倍数取值范围为6~31,压力增大倍数与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关,其中不耦合系数和炸药性能影响较大,炮孔介质条件影响较小。(3)对模拟的冲击波压力峰值进行统计分析,得出轴向不耦合装药的冲击波压力峰值与轴向耦合装药的冲击波压力峰值的比值近似等于轴向装药系数;基于模拟得到的冲击波压力峰值,结合理论推导成果及常用爆破冲击波压力峰值计算形式,建议了一种新型不耦合装药爆破冲击波压力峰值计算方法;开展了室内爆炸试验,测试了爆炸冲击波的压力峰值,验证了建议的计算公式的准确性。(4)综合数值模拟结果、已有研究成果和现场爆破试验的高速摄影数据,分析爆破荷载作用的持续时间,认为不耦合装药爆炸荷载的冲击波作用时间约为几十微秒,爆生气体作用时间约为10ms量级。
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