岩石爆破理论模型

岩爆预测方法与理论模型研究的开题报告开题报告题目：岩爆预测方法与理论模型研究一、选题的背景和意义岩爆（Rockburst）是指在地下工程中，由于矿体应力变化引起的破岩现象，其发生会给矿山采掘带来巨大的危害，使得安全生产面临严重挑战。

因而，对岩爆的预测及控制研究成为矿山安全生产的热点问题。

然而，岩爆发生规律复杂，造成的原因和机制也十分复杂，因此如何建立有效的预测方法和理论模型对岩爆进行控制具有重要的实际意义和深远的理论价值。

二、研究现状及存在问题当前，对于岩爆的研究主要集中在预防措施的制定和加固设计方面。

而对于岩爆的预测和控制研究则相对滞后，其预测准确性和可靠性仍然有待提高。

现有方法如Gradient Boosting决策树、逻辑回归等也存在一定的局限性，如训练数据不足、模型过于简单等问题，阻碍了其在实际中的应用。

三、研究的内容和方法本研究将结合国内外学者已有的岩爆研究成果和研究最新进展，深入研究岩爆的预测方法和理论模型。

具体研究内容包括：1. 岩爆预测方法的改进：针对现有方法存在的问题，如数据量不足、模型选择不合适等问题，采用合适的数据预处理和特征选取方法对数据进行处理，结合深度学习算法改进预测模型的结构和算法。

2. 岩爆发生机理的研究：以确定岩爆发生的根本原因和机理为目标，建立起岩爆物理力学模型，探索不同条件下的实验破岩现象，加深对岩爆发生机理的了解。

3. 岩爆控制理论研究：开展控制方法的理论研究，结合现有的预防措施，寻找更为适合的控制方法，以提高岩爆的控制效果。

四、预期研究结果及其意义本研究的预期研究成果包括：1. 结合实验方法，建立一个新的岩爆物理力学模型，加深对岩爆机理的理解和认识。

2. 建立一种新的岩爆预测方法及其理论模型，改善现有方法存在的局限，提高预测准确性。

3. 寻找更为适合、经济的的岩爆控制方法，在实际中进行控制的有效性进一步提升，取得实际应用效果。

本研究的意义主要体现在：1. 优化企业生产安全，减少生产事故，提高企业运行效率，降低运营成本。

谈谈岩石爆破损伤模型研究岩石开挖过程涉及到岩石力学、爆炸力学、工程爆破及损伤力学等多个领域，其中关键问题是爆破损伤控制，它在建立岩石稳定性先关分析方法和设计岩体爆破理论等方面具有指导意义。

同时在保障矿山开采安全和提高社会经济效益方面也具有重要作用。

因此有必要对岩石爆破损伤模型研究中存在的几个问题进行探讨。

一、岩石爆破损伤模型研究现状要想研究岩石爆破损伤机理和过程，必须对岩石爆破损伤模型进行研究，岩石爆破损伤模型在爆破参数设计优化和爆破技术研究方面起着重要作用。

目前岩石爆破损伤模型应用比较广泛的有两种模型，一种是流体弹塑性模型，另一种是弹塑性理论模型。

这两种模型之所以在该领域得到广泛应用，主要是因为其实用性强，模型清晰，且在很多情况下这种模型可以对岩石爆破机理做出合理解释，这种解释正是研究者们所需要的。

比如在处理高围压等爆破问题时，就可选择流体弹塑性模型对其进行研究。

在岩石爆破损伤模型研究进程中，断裂力学相关理论为其提供了必要的依据。

岩石爆破损伤模型研究重点在于从宏观层面出发，着重研究裂纹集合力学效应，而不对单个裂纹力学则不进行研究，这也是它的一个比较突出的特点。

因此，这种模型能更好的为岩石爆破破碎和岩石介质相关研究提供有力支撑。

另外岩石爆破损伤模型还有另外一个比较突出的特点，就是大部分岩石弹塑性模型可以运用到未受损的爆破岩石中，并且为其提供必要的试验参数和研究结果，在模型的模拟过程中，运用数值模拟技术可以模拟包括爆炸传播、岩石介质应力、介质运动等在内的爆炸损伤全过程。

就目前岩石岩石损伤模型应用情况看，其研究主要朝岩石破碎和岩石断裂理论为基础的方向发展，具体来说，这两个研究方向分别为岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型。

其中岩体微观爆破损伤模型是以损伤系数增加值或裂纹密度为依据，而另一种爆破损伤模型是以岩体裂纹开裂扩展为依据。

这两种损伤模型建立之前，应用最多的是Grady模型，应该说岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型是在Grady模型基础上发展起来的。

第25卷 第6期岩石力学与工程学报 V ol.25 No.62006年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2006收稿日期：2005–01–17；修回日期：2005–03–23基金项目：湖北省教育厅重点项目(D200504)；湖北省水电工程施工与管理重点实验室(三峡大学)项目(HEF200405)；重庆交通学院结构工程实验室项目(20040005)作者简介：姚金阶(1968–)，男，博士，2005年于武汉大学岩土工程专业获博士学位，主要从事力学和岩土爆破工程方面的教学与研究工作。

E-mail ：yaojinjie111@岩体爆破的损伤统计演化理论模型姚金阶1，朱以文2，袁子厚3，文 尉4(1. 三峡大学 土木水电学院，湖北 宜昌 443002；2. 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉，430072；3. 武汉科技学院 数理系，湖北 武汉 430073；4. 湖北宜昌岩松爆破公司，湖北 宜昌 443000)摘要：将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。

将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。

这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。

通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。

关键词：岩石力学；岩体爆破；损伤；演化模型中图分类号：TU 457 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)06–1106–05A THEORETICAL EVOLVING MODEL OF ROCK MASSBLASTING WITH STATISTICAL DAMAGEYAO Jinjie 1，ZHU Yiwen 2，YUAN Zihou 3，WEN Wei 4(1. College of Civil and Hydropower Engineering ，China Three Gorges University ，Yichang ，Hubei 443002，China ；2. School of Civil and Architectural Engineering ，Wuhan University ，Wuhan ，Hubei 430072，China ；3. Department of Mathematics and Physics ，Wuhan University of Science and Engineering ，Wuhan ，Hubei 430073，China ；4. Yichang Yansong Blasting Company ，Yichang ，Hubei 443000，China )Abstract ：The practical blasting engineering is considered as rock mass engineering ，and the general characteristics of rock mass blasting are discussed. There are various discontinuous joints and fissures in rock mass which have statistical characteristics ，so the distribution parameter can be measured. The damage parameter is defined as the ratio of the area of fragmentation after blasting divided by the area of all sections. The definition meets the requirement that the damage of intact rock is 0 and is 1 after blasting. The rock fragmentation has fractal character and has relation between damage parameter and fractal dimension. So the evolvement equation can be established. The numerical calculation of the statistical damage model indicates that this model is clear in theory and applicable in practical engineering.Key words ：rock mechanics ；rock mass blasting ；damage ；evolving model1 引 言岩体工程的概念自提出以来，近年来受到较大关注，并逐步被越来越多的人们认可[1]，实际上各种工程中的岩石爆破也应该是岩体爆破工程，作者认为可以归于岩体工程的范畴。

武汉大学博士学位论文岩体爆破理论模型与应用研究研究生姓名：指导教师姓名、职称：教授学科专业名称：岩土工程Theory Model of Rock Mass Blasting and Its ApplicationPh.D.Candidate: Yao JinjieMentor: Prof.Zhu YiwenApril,2005郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文如有剽窃、抄袭、假造等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。

学位论文作者(签名)：年月日摘要本文对岩体爆破的理论模型及其应用进行了研究。

在回顾岩体爆破理论模型研究发展的历史和成就的基础上，建立了一种新的爆破损伤统计演化理论模型、建立了爆破参数设计的神经网络模型、建立了损伤岩体控制爆破的计算模型、建立了爆破器材优化的理论模型，理论模型用于生产实践取得了初步成果。

人类进行岩石爆破的历史已经有二百多年，岩体爆破是目前岩土工程中对岩石开挖所采用的最有效的主要方法，岩石爆破技术在国民经济建设的很多领域得到了广泛应用；在目前迅速发展的国民经济建设中，爆破工程的应用程度范围越来越广泛，在水利水电、矿山、交通等各个行业的应用带来了巨大的社会效益和经济效益；长期以来，岩体爆破的理论模型研究一直是岩体爆破和岩石动力学研究领域的的一个热点课题，并且日益受到工程爆破学术界和工程应用部门的关注，岩体爆破理论模型的研究具有非常重要的理论和实践意义。

回顾岩石爆破的理论的发展历程，先后经过了经验理论、弹性理论、断裂理论和损伤理论几个阶段的发展。

经验理论阶段比较著名的理论有炸药量与岩石破碎体积成比例理论、L.W.利文斯顿的爆破漏斗理论、冲击波拉伸破坏理论等；在上世纪70～80年代出现的Harries模型和Favreau模型是具有代表性的弹性爆破理论模型，他们都将岩石视为均质弹性体处理；随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入，岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域，断裂理论爆破模型主要有BCM模型和NAG－FRAG模型；美国Sandia国家实验室从上世纪80年代初就开展了岩石爆破损伤模型的研究，Kipp和Grady提出了最初的损伤模型，杨军等在分形岩石力学研究的背景下，提出了一种岩石爆破分形损伤的理论模型。

岩石爆破理论模型摘要：岩石爆破模型的研究是爆破理论和技术发展的关键，通过研究爆破过程及其参数的变化规律可揭示爆破作用的本质，为完善和发展爆破理论及技术提供基础。

关键词：岩石爆破模型;弹性;断裂;损伤1、岩石爆破机理在岩石爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆炸生成气体膨胀压力共同作用的结果；但是关于爆炸冲击波和爆炸生成气体准静态压力哪个起主要作用，目前仍存在着两种不同的观点。

一种观点认为冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆炸生成气体膨胀压力作用。

另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作用要取决于岩石的阻抗波，即高波阻抗岩石应力波起主要作用，低波阻抗岩石爆炸生成气体起主要作用；对于均质岩体以应力波作用为主；对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆炸生成气体作用为主。

爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体,膨胀做功引起岩石破坏。

爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移,由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样,质点位移所受的阻力就不同,最小抵抗线方向阻力最小,岩石质点位移速度最高。

正是由于相邻岩石质点移动速度不同,造成了岩石中的剪切应力,一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度,岩石即发生剪切破坏。

破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出,形成一倒锥形的爆破漏斗坑。

按理论基础可将爆破模型分为以下几类:以弹性理论处理爆破问题的弹性力学模型;以断裂理论特别是线弹性断裂力学为基础的断裂力学模型;以研究损伤演化特别是细观损伤演化为框架的损伤力学模型;以及将岩石由损伤累积而导致的破坏视为一种逾渗转变的逾渗模型。

2、弹性力学模型2、1 G.Harries模型G.Harries模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的二维模型,将岩石视为均质连续的弹性介质。

假设岩石为以炮孔轴线为中心的厚壁圆筒,爆炸应力波使与炮孔轴线垂直的平面内质点产生径向位移,当径向位移派生出的切向应变值超过岩石的动态极限抗拉应变T时,岩石中形成径向裂隙。

5岩石爆破理论5.1岩石爆破破坏基本理论炸药爆炸引起岩石破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。

在这个过程中，岩石受力情况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。

但将多类解释的基本观点与理论依据归类，可概括为三大假说：5.1.1 爆生气体膨胀作用理论这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。

(1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。

炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于周围介质，而形成压应力场。

(2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。

很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。

当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度（常为其1/10～1/15），所以拉伸破坏极易发生，而形成径向裂隙。

(3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。

质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动而产生剪切应力。

在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径向剪切破坏。

(4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。

上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。