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爆破振动对岩巷混凝土喷层影响数值模拟研究

作　者: 郝海明
导　师: 赵光明
学　校: 安徽理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 爆破振动混凝土喷层数值模拟本构模型岩石巷道
分类号: TD263
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 24次
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内容摘要

在煤矿巷道掘进中,存在大量的混凝土喷层支护巷道的形式,由于巷道掘进时主要采用钻爆法施工,不可避免地出现爆破振动对混凝土喷层的影响。因此,研究爆破冲击强荷载作用下对混凝土及喷层的影响对于岩石工程及采矿工程来说具有非常重要的理论意义和工程实践作用。本文通过理论分析、数值模拟这两种方法对混凝土试件、巷道中的混凝土喷层及混凝土的抗爆性能进行了研究,论文的研究内容及成果主要包括以下几个方面：1.理论上分析了应力波在混凝土内以及岩石和混凝土界面上的传播规律,并对离炸药爆心不同距离,分成不同区域,并推导出各个区域内的公式计算。基于波兹纳粘弹塑性本构方程,并且考虑混凝土在动态荷载作用下的损伤演化服从Weibull分布,提出了混凝土在动态荷载作用下的弹粘塑性动力损伤模型。2.基于ANSYS/LS-DYNA3D数值模拟软件模拟了混凝土试件的霍普金森压杆实验,结果表明不同速度冲击、不同静态抗压强度的混凝土试件对混凝土动态性质都有一定的影响。3.进行了炸药在混凝土内部抗爆性能的数值模拟研究,模拟得到了炸药在混凝土内部爆炸时,内部裂纹的形成与发展。对混凝土块内部应力、速度、动能以及内能进行了分析,并对部分结果进行了验证。4.运用数值模拟分析了岩石巷道在爆破掘进时喷射的混凝土受不同龄期和混凝土不同静态抗压强度的影响,得到了应力波在混凝土喷层不同位置处的衰减规律,提出了预防混凝土喷层受爆破振动崩落的解决方法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-14
1 绪论  14-20
  1.1 论文来源及背景  14-15
  1.2 国内外发展现状  15-16
  1.3 存在的问题  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17-18
  1.5 理论和应用方面的意义  18
  1.6 采取的技术措施和办法  18-20
2 一维弹塑性波在介质中的传播及混凝土动态本构模型研究  20-36
  2.1 应力波的产生与传播  20-25
    2.1.1 应力波的定义  20
    2.1.2 应力波的基本形式  20-21
    2.1.3 混凝土中应力波传播压力与速度  21-22
    2.1.4 混凝土中应力波的传播特征与衰减规律  22-25
  2.2 应力波在围岩、混凝土结合面上的透、反射  25-28
  2.3 混凝土的粘弹塑性动力损伤本构模型  28-35
    2.3.1 动态本构模型发展  28-33
    2.3.2 损伤演化规律  33-34
    2.3.3 粘弹塑性动力损伤模型  34
    2.3.4 粘弹塑性动力损伤模型的实验验证  34-35
  2.4 本章小结  35-36
3 混凝土试件SHPB实验数值模拟研究  36-58
  3.1 引言  36
  3.2 LS-DYNA3D程序算法原理  36-41
    3.2.1 程序简介  36-37
    3.2.2 控制方程  37-39
    3.2.3 模型体的高斯积分和沙漏控制  39-40
    3.2.4 应力波与人工体积粘性  40-41
    3.2.5 动态模拟常用算法  41
  3.3 SHPB实验装置  41-42
  3.4 SHPB实验原理  42-43
  3.5 混凝土试件SHPB实验模拟  43-47
    3.5.1 材料模型与参数选择  43-45
    3.5.2 有限元模型的建立  45-47
  3.6 数值模拟结果分析  47-56
    3.6.1 应力波波形图与实验比较  47
    3.6.2 混凝土试件内部应力分析  47-48
    3.6.3 应力波在杆件内的传播分析  48-49
    3.6.4 不同速度冲击下混凝土破坏分析  49-51
    3.6.5 不同速度冲击下混凝土试件波形曲线分析  51-52
    3.6.6 不同冲击速度下混凝土试件应力应变曲线分析  52-53
    3.6.7 不同静态抗压强度混凝土的动态应力应变曲线分析  53-54
    3.6.8 不同静态抗压强度混凝土的能量分析  54-56
  3.7 本章小结  56-58
4 混凝土抗爆性能的数值模拟研究  58-66
  4.1 引言  58
  4.2 计算模型建立及材料模型选择  58-60
    4.2.1 有限元模型建立  59-60
    4.2.2 网格划分  60
    4.2.3 材料选择  60
  4.3 数值模拟结果及分析  60-65
    4.3.1 混凝土内部裂纹形成与扩展  60-62
    4.3.2 混凝土中应力波衰减规律  62-65
  4.4 本章小结  65-66
5 爆破振动对混凝土喷层影响的数值模拟研究  66-82
  5.1 材料模型及状态方程  66-70
    5.1.1 炸药燃烧模型  66-67
    5.1.2 混凝土动态力学模型  67-69
    5.1.3 岩石材料模型  69
    5.1.4 空气材料模型  69-70
  5.2 工程实例  70-71
  5.3 计算模型  71-72
  5.4 爆破振动对不同龄期混凝土喷层影响数值模拟研究  72-76
    5.4.1 应力波对不同龄期混凝土喷层的影响  72-74
    5.4.2 质点振动速度对不同龄期混凝土喷层的影响  74-76
    5.4.3 混凝土喷层稳定性分析  76
  5.5 不同静态抗压强度混凝土受爆破振动的影响  76-79
    5.5.1 质点速度、应力分析  76-78
    5.5.2 衰减规律分析  78-79
  5.6 预防爆破振动导致混凝土喷层破坏的措施  79-80
  5.7 本章小结  80-82
6 总结与展望  82-84
  6.1 主要结论  82-83
  6.2 有待进一步研究的内容  83
  6.3 展望  83-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
作者简介及读研期间主要科研成果  89

爆破振动对岩巷混凝土喷层影响数值模拟研究

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