凿岩爆破破岩机理与破岩过程的DDA方法模拟研究

Drilling blasting is widely used in rock excavation engineering. The study of rock fracturing mechanism and process in drilling blasting is an important subject in rock blasting theory research. In this project, this problem is studied through numerical modeling by two-dimensional discontinuous deformation analysis (DDA) method. Wave propagation characteristics in rock masses are modeled by the sub-block approach, and the original sub-block approach is further developed for better modeling of rock fracturing. Based on these techniques, application models for explosion-induced stress wave and explosion gas pressure in drilling blasting modeling are developed and incorporated into the DDA program separately, and the rock fracturing process under each type of the loading in drilling blasting is numerically investigated by applying respectively the two types of loadings in the modeling examples. In the application model for the explosion gas pressure, the penetration of the gas into the rock fractures and the re-distribution of the gas pressure in adjacent blasting chambers connected by rock fractures is taken into account as a key factor. Thereafter, single-borehole drilling basting is modeled by applying both the explosion-induced stress wave and the explosion gas pressure simultaneously. By changing the energy proportion of the two types of loadings, the effect of each type of the loading on blast-induced rock fracturing is further investigated and the rock fracturing mechanism in drilling blasting is thus studied. Multiple-borehole drilling blasting modeling is then carried out. The influences of the energy proportion of the explosion-induced stress wave and the explosion gas pressure, the rock mass characteristics, the modeling boundary condition, the distribution of the boreholes and the time delay between boreholes on rock fracturing modeling results are investigated. Parameter design and its optimization in typical types of rock blasting including pre-splitting blasting and smooth surface blasting will be investigated and discussed as well.

凿岩爆破广泛应用于岩石开挖工程。对凿岩爆破破岩机理与破岩过程的研究是岩石爆破理论研究的重要内容。本课题采用二维DDA方法对凿岩爆破破岩机理和过程进行数值模拟研究。采用子块体法模拟岩体的应力波传播特性，并用改进的子块体法模拟岩体的断裂破坏。在此基础上，分别实现凿岩爆破过程中爆炸应力波和爆生气体压力加载的DDA方法模拟，并对两者各自单独作用下的爆破破岩过程进行模拟和分析。爆生气体对岩体裂隙的渗透加载及其在裂隙贯通爆腔间的压力重分布，是爆生气体压力破岩作用模拟的关键。在爆炸应力波和爆生气体压力共同作用下，通过改变两者的能量比率，对单孔凿岩爆破破岩过程进行模拟，分析爆炸应力波和爆生气体压力的破岩作用、探讨凿岩爆破破岩机理。模拟和分析不同爆炸应力波和爆生气体压力能量比率、不同岩质、不同边界条件、不同炮孔布置及孔间延时等条件下的多炮孔凿岩爆破过程，并考察预裂爆破、光面爆破等爆破类型的参数设计与优化。

凿岩爆破作为高效、经济的破岩手段，在岩石开挖和破碎工程中应用广泛。爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的凿岩爆破理论得到了广泛认同，但人们对二者作用下的岩石破坏过程和破坏机理的认识还不够深入。特别是现代凿岩爆破工程对破岩的精细程度要求越来越高，对凿岩爆破机理的深入研究极具必要。该问题的实验研究存在方法和技术方面的难度，数值模拟是研究该问题的可行途径。.非连续变形分析（DDA）是一种擅长模拟可变形离散块体系统的静力和动力学行为的离散型数值方法，本项目发展并应用该方法模拟研究凿岩爆破。研究主要概括为六个方面：1）验证和分析连续体变形计算的子块体粘接算法，在此基础上发展了基于子块体单元应力的岩石开裂算法，并对圆盘、方件的静力破坏和长杆、圆盘的动力破坏进行模拟。结果表明，新的子块体开裂算法能较好模拟弹性岩石介质的静力拉伸、剪切、复合破坏和动力拉伸破坏行为。2）对岩体动力学问题，特别是应力波传播问题DDA模拟中的一些关键问题进行系统性研究，包括时间步长、位移比、接触弹簧刚度、块体单元尺寸等参数值的选取和动力边界条件等。3）通过在炮孔壁面上施加等效三角波压力载荷，模拟爆炸应力波作用下的凿岩爆破。模拟分析了单孔、双孔条件下的应力波传播和岩石破坏过程，模拟分析了爆炸应力波作用下地应力对破岩效果的影响以及预裂爆破问题。4）在以往爆生气体压力作用下单孔凿岩爆破模拟方法的基础上，通过跟踪炮孔间裂纹的贯通判断孔间爆生气体的贯通并进行压力重分布，实现爆生气体压力作用下的多炮孔凿岩爆破模拟。模拟分析了双孔条件下的爆生气体压力重分布和岩石破坏过程，模拟分析了爆生气体压力作用下的预裂爆破问题。5）通过同时施加爆炸应力波和爆生气体压力载荷，模拟分析两者不同能量比率对破岩过程和效果的影响。通过统计岩石中的裂纹扩展累计长度，结果初步表明，爆生气体压力峰值的变化对破岩效果的影响更大。6）为更加真实的描述岩石的力学行为，特别是其在爆破载荷作用下的动力学行为，在DDA中对岩石的非均匀性和非线性力学模型进行了初步研究。.项目发展并应用DDA方法对两种爆破载荷作用下的凿岩爆破破岩过程进行模拟，开发了相应模拟软件，结果表明了采用DDA模拟凿岩爆破问题的可行性。爆破破岩是两种载荷共同作用的结果，但爆生气体压力的影响更加明显。研究为通过DDA模拟深入研究凿岩爆破过程与机理，以及指导爆破设计参数优化创造了条件。