博士论文-岩体爆破理论模型研究的意义.doc

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
研 究 方 向：工程爆破

2005年 4 月 日

105

Theory Model of Rock Mass Blasting and Its Application

Ph.D.Candidate: Yao Jinjie
Mentor Prof.Zhu Yiwen

April,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。
岩体具有复杂的地质构造结构，岩体中普遍存在的结构面形成了岩体的初始损伤。损伤力学中对损伤参量的定义是指损伤面积与有效面积之比，已有的岩石爆破损伤模型对损伤参量的定义分为两种，一种是表示为(体积)弹性模量的降低，一种是表示为已经破裂的结构面面积与潜在的节理面结构面面积之比。
本文将岩体的损伤与岩体爆破之后的块体总表面积联系起来，引入爆堆块体的总表面积S∑，把S∑作为有效面积，损伤量W的定义仍然表示为损伤面积与有效面积之比的形式，成为，即损伤量等于岩体中破裂弱面面积与岩体爆破后爆块总表面积之比。这种损伤量的定义将损伤量与最终的爆破结果联系起来，把爆破的过程理解为损伤量增加的过程，爆破完成的过程相当于损伤量从初始微小损伤达到1的过程。
爆堆块度的组成符合分形分布规律，其分形维D与块体G-G-S分布的均匀性指数n 满足n=3-D, 进而研究了损伤与爆块分形维数及破裂面分形维数之间的内在联系，破裂面分形维数D(t)随着爆炸应力变化，爆破完毕即为爆块分形维Dz, 总表面积S∑可以用爆块分形维Dz表示出来，而损伤量W(t)的演化与弱面分形维数D(t)的变化关系最终成为 的形式。破裂面分形维数D(t)随着爆炸应力变化的关系表现为分形维与损伤断裂耗散能的线性关系。以上结果与岩体的弹塑性本构方程结合就构成了岩体的一种岩体爆破的统计损伤演化理论模型。
在岩体爆破工程实践中，爆破块度的满意和符合预先要求一直是工程技术人员追求的目标，但这方面少有完善的理论指导。本文利用神经网络处理非线性系统的优越性，在叙述了BP神经网络模型计算原理的基础上，搜集和整理了大量岩体爆破施工数据和实验数据，建立了岩体爆破参数设计的神经网络模型。神经网络模型相当于把爆破过程作为一个未知的黑箱，其中的黑箱结构由神经网络模型生成的权值和阈值来确定。本文选取岩体的初始损伤量、岩体物理力学参数、爆破块度级配指标等16个参数为作为神经网络的输入参数，把炮孔间排距、堵塞长度、炸药单耗等7个爆破设计参数指标作为输出参数，而中间隐层单元经比较选为12个，于是构成了16个输入单元、12个隐层单元、7个输出单元的神经网络模型；从整理的40组数据中任选30组，用30组数据对网络进行了学习训练，经10000次迭代计算后，误差达到3.5e-4。用剩余10组数据对训练之后的网络进行了仿真，仿真输出结果为7×10矩阵，此结果与预期目标值相比较，具有很好的相关性，相关系数达到0.964。该神经网络用于实际工程的参数设计，得到了较理想的应用结果，其仿真输出参数即爆破设计参数具有明显的实际合理性。
损伤岩体控制爆破理论与技术在岩体爆破中起着重要作用。在前述岩体爆破理论模型的基础上，本文讨论了损伤岩体中爆炸应力波的传播衰减规律，其衰减指数与岩体结构面的分形维数有相关性。进而推导了在损伤岩体中预裂爆破的压碎圈和裂隙圈的计算。计算表明损伤岩体中压碎圈和裂隙圈都比完整岩石要大。对预裂爆破中线装药密度的变化作了探讨，讨论了预裂爆破线装药密度随孔深的变化情况，为大型露天深孔预裂爆破的连续装药施工设计提供了理论依据。
岩体爆破设计参数的优化可以降低工程成本。本文从独特的视角提出了岩体爆破使用爆破器材优化设计的理论模型。爆破工序的总成本包括钻孔费用、爆破器材费用、发生盲炮损失费用及爆破作业费用，表示为C=C1+C2+C3+C4 ，优化模型成为在控制变量为炮孔间距a ,炸药单价K2 、起爆器材单价K3下，求费用的最小值min(C)。炸药费用、起爆器材费用与炮孔间距a的二次方成反比；炸药价格越高，性能越高，可以提高炮孔间距a；起爆器材价格越高，发生盲炮几率越小，盲炮损失费用越小。利用这些约束条件即组成了爆破器材优化模型。本文采用了SUMT外点法计算此非线性约束优化模型，结果表明在a =8.352(m); K2=7.275(元/Kg); K3=20.857(元/发)时，达到最小费用min(C)=4.268(元/方)。
另外对优化模型的遗传算法作了讨论，遗传算法是最新兴起的智能计算技术，是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机自适应的搜索算法，具有快速有效地搜索复杂、高度非线性和多维空间的特点，通过反复迭代最终能够找到全局最优解。此优化模型的计算分析表明，爆破器材性能的提高可以降低岩体爆破的成本。
在对上述理论模型进行数值计算之前，本文对模型中的参数取值做了分析讨论，结构面体密度中计入了微小裂隙的影响，做了小裂隙修正，因而爆块最小尺寸的确定需要考虑G-G-S分布规律适用的界限、最小爆块粒度尺寸、分形特征满足的尺度范围等因素，可以取；为了计算岩体结构面的分形维数，用Monte Carlo方法对岩体结构面网络进行了模拟仿真。利用模拟的结构弱面网络计算了结构面的计盒分形维数，对裂隙网络模拟和分形维计算进行了同一数值下的多次计算比较，表明这种计算具有很好的稳定性和可靠性,同时也佐证了分形维是裂隙网络等分形结构包含很多信息的重要参数。
在此基础上本文利用ANSYS-LSDYNA动力有限元程序对岩体爆破统计损伤理论模型进行了数值计算分析。首先分析了动力有限元的计算原理，并将有限元计算的应力结果输出进行损伤演化计算，计算分析得到了与实际相符的结果。
三峡下岸溪砂石料场是目前世界上最大的人工制砂工程，在十多年的开采期间，采场将为三峡大坝提供约2600万方的砂石，平均月爆破石方量30多万方，平均月产26万方成品砂。作者于三峡下岸溪砂石料场工地进行了岩体爆破损伤统计理论模型、神经网络模型等理论模型的工程计算，进行了爆破生产试验，试验取得了初步成效，提高了爆破施工设计的间排距参数，Φ105、Φ200炮孔的间排距分别由3.5×3.5、6.5×6.5提高到3.8×3.8、6.8×6.8，明显提高了爆破工序的经济效益。
由于目前的岩体爆破理论总体上还落后于生产实践，大量的研究工作需要不断深入，本文仅限于对岩体爆破理论模型的部分问题作了研究和探讨，尚有许多领域还需在今后的研究和工程实践中进一步不断完善。

关键词：岩体爆破；理论模型；损伤；分形维；控制爆破；参数优化

ABSTRACT
This paper give a thorough study on the theory model of rock mass blasting and it's applications. After recalled the history of development of the theory model of rock mass blasting, this paper build a new rock mass blasting damage statistical damage theory mode; built a Artificial Neutral Network(ANN) model on rock mass blasting parameter design; built a damage rock mass control blasting parameter calculate model; built a explosion material parameter optimization on rock mass blasting. There achieve some good production by use those theory model calculating practical engineering.
The history of rock blasting had over 200 years and the blasting method is one of the most methods in mining, highway, Civil and Hydropower Engineering. Blasting industry has taken a great contribution on our country economic and its application field becomes more and more extensive. Study about rock mass blasting theory has become a topic task in engineering blasting and engineering application and it has important meaning on theory or application.
Recalling the history of development of the theory model about rock mass blasting, many models have come forth orderly such as experiential theory model, elastic-plastic theory model, fracture theory model and damage theory model et al. Famous experiential theory model such as “volume has direct proportion to explosive consumption”; L.W. Stenn blasting tundish Theory; impact wave pulling theory. 1970-80’s Harries and Favreau theory is the delegates of elastic theory model, which regard rock mass as homogeneous elastic medium. With the fracture mechanics infiltrating into rock mass blasting theory studying, the BCM model and NAG-FRAG model come forth. They studied the crack development law on rock mass blasting. Sandia lab of U.S.A developed the study on damage model of rock mass blasting during 1980’ then Kipp & Grady built the first damage model. Yang Jun also built a damage model using the factual concept during 1999.
The nature rock is all "rock mass" which have formed and reconstructed geologically and has more differences than "rock". Considering those differences, this paper give a new defines of "Rock Mass damage". Rock mass has complicated geological configuration and the structure face bring out its original damage .Generally, the definition of damage on damage mechanics is the ratio of crack area to effectual area. But we don’t know what the effectual area is and how to measure them. Or, damage parameter on many rock blasting damage model defined as the reduce rate of elastic (bulk) module. This define is clear in theory but there many difficult in application.
In this paper, a new defining of damage gives as ratio of the crack area to area of blasting fragmentation: . The area of blasting fragmentation S∑ regarded as the effectual area. This define link damage to blasting result, so we could think the blasting process as the process of damage increase, the end of blasting is the last of W equal to 1.
The blasting fragmentation follow the factual law, the factual dimension D is answer for n=3-D with G-G-S distribution exponent n. By studying the relation of damage factual dimension with the crack factual dimension, it find that , and .
By this define, combining the distribution statistical characteristic of rock mass structure face and the fractal characteristic of blasting fragmentation, a new rock mass blasting statistical damage theory model was built out.
There has little theory on obtaining approving blasting fragmentation. Artificial Neutral Network (ANN) is a predominant method on treating with high-degree nonlinearitical problem. In this paper, a ANN model on rock mass blasting parameter design was built. Before build this model, abundance data was gather and collect. In this model,16 parameters such as rock mass compression strength select as input parameter and other 7 parameters such as hole separation and explosive consumption selected as output parameter and then 12 mid elements select. So a 16-12-7 layers ANN built in this paper. 30 sets date random selected from gathered and collected to train the ANN model ,the train goal achieve to 3.5e-4 after 10000 echoes and the other 10 sets date selected to simulate it The simulate result is a 7×10 matrix and it has good pertinence compare to expectation aim. The Neutral Network is correct because its correlation coefficient is 0.964. Using this neutral network to design practice blasting parameter is also success.
The control blasting theory and technology on damage rock mass has magnitude significance in rock mass blasting. On the base of forth two theory model, the propagation and attenuation law of blasting stress wave are studied and find that the attenuation exponent is equal to the factual dimension. Based on the find, this paper probe the formula of fragment area and crack area on pre-splitting blasting and discuss the change of explosive line density along the hole depth. It could make reference on pre-splitting blasting parameter design with continuing charge.
The parameter optimization on rock mass blasting could reduce the engineering cost. This paper built an optimization model on how to select explosive materials from a new point of view. All the cost of blasting procedure contain cost of explosion, fuse, worker: C=C1+C2+C3+C4, the cost of drill, explosion and fuse is related to the quad of hole separation a, more higher the unit price of explosion K2 and fuse K3 is, more better those capability, more longer the hole separation a, more lower the rate of blind blasting , more little of the losing from blind blasting, so the optimization model is under the control parameter a , K2 、K3 to find the minimum C min(C). The Sequential Unconstrained Minimization Technique (SUMT) method was use to calculate this model .At last, some suggestion about the Genetic Algorithm (GA) on optimization was given. The calculation result is min(C) = 4.268(￥/m3) when a = 8.352(m); K2=7.275(￥/Kg); K3=20.857(￥). This result indicates that the advancement of explosive materials could reduce the blasting cost.
Before numerical calculation, there has some argumentation how to choose those parameters on the model. The minimum length must accord to limit of G-G-S distribution law, of minimum fragmentation, of factual law, so we could set .Then the structure network was simulated with Monte Carlo method to calculate its fractal dimension. After that, some numerical calculation result present out with ANSYS-LSDYNA code. ANSYS-LSDYNA is a dynamic FEM and used widely on calculation of explosion and impact problems. The numerical calculation result approach is near to the engineering practice.
All above theory model implied at Three-Gorge Xiaanxi sand stope. This stope is the biggest artificial sand stope and it provides 26 millions m3 sand for Three-gorge dam. The examination of above theory model is success on this engineering, its hole separation of Φ105 from 3.5m×3.5m increase to 3.8m×3.8m and of Φ200 from 6.5m×6.5m increase to 6.8m×6.8m，at last, the blasting benefit is advance.

Keywords: Rock mass blasting; Theory model; Damage; Fractal dimension; Control blasting; Parameter optimization

目 录
1绪论 1
1.1岩体爆破理论模型研究的意义 1
1.2岩体爆破理论研究的发展历程 2
1.3本文的研究目标和主要工作 11
2岩体爆破损伤统计演化理论模型 13
2.1概述 13
2.2岩体的结构特征及统计特性 15
2.3损伤量的定义 19
2.4破碎块体的分形描述及损伤量与爆块分形维的关系 21
2.5岩体损伤的演化与弱面分形维的演化 24
2.6本章总结 29
3岩体爆破参数设计的神经网络模型 31
3.1前言 31
3.2 BP神经网络模型的原理 31
3.3 BP神经网络模型的构造和训练 35
3.4 爆破参数设计的BP神经网络模型建立 39
3.5本章总结 50
4损伤岩体控制爆破理论与应用 51
4.1岩体控制爆破经典理论 51
4.2损伤岩体控制爆破理论 58
4.3本章总结 64
5岩体爆破参数优化研究 65
5.1优化理论概述 65
5.2爆破参数优化理论模型 68
5.3本章总结 74
6损伤统计模型的数值计算 75
6.1爆块最小线尺寸的确定 75
6.2岩体初始弱面模拟与分形维的计算 76
6.3有限元数值计算分析 81
6.4本章总结 84
7岩体爆破理论模型的工程应用 88
7.1工程概况 88
7.2爆破参数设计 88
7.3爆破生产试验 91
7.4本章总结 93
8总结与展望 94
8.1本文的主要工作和结果 94
8.2本文的创新点 95
8.3本研究课题的展望 96
参考文献 98
读研期间参加项目及发表文章 104
致谢 105

1 绪 论
1.1岩体爆破理论模型研究的意义
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；在举世瞩目的三峡工程建设中，爆破石方总量就达到1.1亿立方，高峰期年消耗炸药在1万吨以上。在相继的长江梯级水电开发、西部大开发等建设中，岩体爆破工程的数量可以预见仍然是一个巨大的数字；长期以来，岩体爆破的理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。
工程中实施岩体爆破时，一方面使开挖部分的岩体达到合理有效的破碎，另一方面尽可能减少爆破对开挖边界以外的岩体损伤破坏，有效保护爆后保留岩体的稳定性，这是广大爆破专业技术人员追求的目标。然而由于岩体性质和岩体爆破过程的复杂性，目前仍然有许多问题亟待进一步深入研究解决在岩石爆破理论、爆破工艺、爆破器材、爆破安全等领域，人们进行了广泛深入的研究并取得了巨大成果，例如近两年欧洲研制生产的高精度毫秒电子雷管，其延时时间可以精确控制在1毫秒以内，这代表了高精爆破技术发展的趋势。数码电子雷管的应用是起爆技术上的又一次革命，必将改变许多爆破设计和作业方面的指导思想，许多以前认为是不可能做到的高难度爆破，由于数码电子雷管的使用而变为可能。从未来电子雷管使用的必然趋势来看，依靠传统经验进行爆破设计的方式已越来越不能满足工程需要，特别需要有更好更完善的爆破理论来指导爆破实践。
人们较早就已经认识到，岩体的各种力学性质与室内完整岩石有很大差别，这是因为实际岩体中总是存在着多种类型的地质结构间断面、微空隙及微裂隙等复杂因素。近年来，岩体工程的理论研究受到越来越多的重视, Muller、谷德振等[1]提出,岩体(rock mass)的概念表述为“具有一定矿物成分、一定结构形式、一定赋存状态及赋存环境的地质体”；而“岩体爆破”（Rock Mass Blasting）包含了所有对岩体介质实施的爆破工程，包括人们在长期实践中的各种水电工程爆破、各种矿山爆破等等。岩体是非常复杂的地质体，它既不是严格的连续介质，也不是分散介质，而是一种普遍包含着不同尺度的缺陷典型的非均质体。现有的连续介质力学理论和离散介质力学理论均不能很好地描述这种特殊的介质，正如美国工程机械师协会在固体力学发展趋势中所指出：“由于岩土介质的特殊性和复杂性，我们应发展一些全新的理论、思想、和方法……”。为了更清楚更深刻地认识人类爆破工程的实践过程，从更高层次上研究岩体爆破问题，从而需要不断提出新的理论、思想和方法，因而岩体爆破理论模型的研究具有非常重要的现实意义。
1.2岩体爆破理论研究的发展历程与现状
1.2.1 岩石爆破理论模型研究的发展历程
在人们长期的爆破工程实践过程中，对工程爆破的爆破理论研究从未间断并日新月异。
岩石爆破的计算模型包括三类模型，即经验模型、理论模型及经验和理论相结合的模型。经验模型是建立在经验公式的基础上，适用于处理一定范围的具体工程设计和参数优化问题；理论