冲击荷载作用下的岩石动态响应与能耗规律研究

For hard rock mass excavation andc rushing,it has important scientific significance that research of the coupling mechanism between rock dynamic response and explosive energy output.By simulating blast process using shock test,the rock's dynamic response, microscopic damage characteristics , as well as the crushing mechanism with different energy output structure are studied under impact load.On the bases of theoretical analysis and experimental test,we propose a unified index system which describing rocks and explosives match .The empirical mode decomposition method are used for accurate analysis the signals of rock stress and strain to get the relationship amonge the initial damage , fragmentation and energy transfer,to determine the best matching relationship between rock properties and performance characteristics of the input energy,and then, to obtain the best crushing effect for particular rock with adjusted energy output structure . The experimental data and theoretical studies are used to build simulation models and the numerical simulation studty of rock blasting and crushing process are carried out.On the basis of analysis on the effective energy consumption, rocks fragmentaion and micro damage mechanism are discussed detail combined with the injury model,the energy dissipative model and the relationship of explosive energy density per uint time with rock dynamic strain.Rock dynamic damage constitutive equations and the statistics model including the elements of fragmentation,damage variable,energy density per unit time and rocks dynamic strain rate will be established,and the mechanism of energy disspation in the process of rocks deformation and broken under impact load will be further understood.Meanwhile,the study will enrich rock fragmentation theory.

对于硬岩开挖及破碎，研究炸药与岩石有效匹配具有重要的科学意义。本课题利用冲击试验模拟爆破过程来研究岩石在冲击荷载作用下的动态响应、微观损伤特征，以及炸药能量不同输出结构下的冲击破碎作用机理。在进行理论分析与模型试验基础上，提出统一的岩石与炸药匹配描述指标体系，利用经验模态分解方法对岩石应力、应变信号进行精确分析，获取岩石初始损伤、冲击破碎程度与能量传递之间的关系，确定岩石性质与输入能特性间最佳匹配关系，进而调整能量输出结构，获得特定岩石最佳的破碎效果。利用实验数据及理论研究构建仿真模型，对岩石破碎过程进行数值仿真研究，结合损伤模型、能量耗散模型及炸药能时密度与岩石动态应变关系，研究炸药有效能耗基础上的岩石破碎及微观损伤机理。建立岩石动态损伤本构关系，阐述岩石在爆破作用下变形破坏过程中能量耗散的机制，建立破碎块度、损伤变量与炸药能时密度和岩石动态应变率关系模型，丰富岩石破碎学基础理论。

金属矿山开采、道路修筑、边坡开挖等工程中，炸药仍然是破碎岩石的重要手段。研究针对不同岩体动态破碎特性，优化匹配不同能量结构的炸药，既可以提高爆破破碎效果，又能达到降低能耗，保护环境的效果，实现岩石与炸药优化匹配的前提是清楚地了解不同岩石在冲击荷载作用下的受力特征和破碎耗能规律。. 研究了岩石在冲击荷载作用下的动态响应、微观损伤特征，以及模拟不同能量输出结构下的冲击破碎作用机理；建立了冲击试验测试与分析系统，首次将岩石破碎的微观破碎特征描述与能量消耗结合起来，提出了微观损伤测量指标及测量方法；测试并建立了不同岩石在变应变率条件下的强度及破碎耗能关系，提出了包括机械冲击系统和实际爆破系统统一的岩石与炸药匹配描述指标体系；通过测定岩石初始损伤、冲击破碎程度与能量传递之间的关系，确定了岩石性质与输入能特性间最佳匹配关系；构建单炮孔爆破仿真模型，对岩石破碎过程进行数值仿真研究，验证了首次提出的炸药能时密度概念及能量耗散和岩石损伤模型；通过现场试验，验证了岩石炸药匹配机理，创立了基于能量耗散的岩石寿命周期破碎质量评价体系。. 提出了能时密度概念，建立了能时密度表达式，并应用于岩石与炸药匹配关系研究；提出了岩石微损伤测定与描述方法，建立了基于扫描电镜的岩石形貌特征分析测定方法，建立了岩石破碎能耗分析测试系统及爆破破碎质量评价系统；开发了基于霍普金森冲击试验系统的动荷载作用下岩石破碎能耗分析测定系统及，提出了一种全新的岩石与炸药优化匹配理论方法；建立了全尺寸环境下的虚拟爆破仿真模型，为矿石爆破设计提供实时优化方案。. 通过该项研究成果指导矿山爆破设计使炸药单耗降低5%，电铲生产综合效率提高4.5%。. 提出的能时密度理论丰富了岩石破碎理论基础，爆破破碎能量耗散细观分析及测定理论与方法为岩石破碎学科开辟了新的方向。