摘 要

液态二氧化碳致裂器代替炸药爆破，具有爆破副作用小，使用不受国家部门监管的优势而广受工程爆破领域的欢迎。但是，现有型号的致裂器释放压力有限，且只能在局部释放气体，而不能满足岩石预裂爆破的需求。因此寻找改善致裂器控制释放气体压力的方法而使其满足预裂爆破的需求就显得尤为重要。运用有限元程序AUTODYN对致裂器喷嘴释气体过程进行模拟，提出喷嘴适合岩石预裂爆破的优化参数；并结合恩施市隧道洞口边坡开挖为例，运用离散元程序UDEC模拟致裂器预裂爆破的过程，得到在III级石灰岩，炮孔间距为100cm时，不同释放气体压力的致裂器预裂爆破的塑形破坏裂缝图，拉应力图和位移图。通过分析数值模拟结果，提出致裂器适合预裂爆破的最佳压力释放值。

关键词：二氧化碳致裂器；AUTODYN；喷嘴参数优化；UDEC；预裂爆破数值模拟

Abstract

The cardox tube instead of explosive has the advantages of no blasting side effect, convenient use that is no supervised by the State Department,so it is widely welcomed by the engineering blasting area.However, the existing cardox tube have limited release pressure and can only release gas locally, which can not meet the demand of rock splitting blasting. Therefore, it is important to find ways to improve the control of the release pressure of the High-pressure gas to meet the demand of splitting blasting. By using the finite element program AUTODYN of High-pressure gas nozzle release process was simulated, optimized parameters of nozzle for rock blasting; combined with the Enshi city tunnel slope excavation as an example, using the discrete element program UDEC simulation process induced by crack splitting blasting is obtained at the III level, limestone, hole spacing is 100cm when different release gas pressure fracturing device splitting blasting shaping crack, tensile stress and displacement. Based on the analysis of numerical simulation results, it is proposed that the optimum pressure release value is suitable for splitting blasting.

Key words: the cardox tube, AUTODYN, parameter optimization of nozzle , UDEC, splitting blasting numerical simulation.

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.2 液态二氧化碳相变致裂技术研究现状简述 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 主要研究内容 3

1.4 创新点 3

第二章 二氧化碳致裂器岩石爆破理论 5

2.1 二氧化碳致裂器简介 5

2.2.1 致裂管组成构造 5

2.2.2 工作机理 7

2.2.3 特点 7

2.2.4 应用领域 7

2.2 致裂器爆破能量分析 8

2.2.1 二氧化碳相变热力学分析 8

2.2.2 致裂器当量计算 9

2.2.2 二氧化碳相变技术与其他破岩技术破岩能力对比分析 10

2.3 二氧化碳致裂器致裂岩石机理 11

2.3.1 致裂器致裂岩石的机理 11

2.3.2 预裂爆破的理论 12

2.3.3 致裂器预裂爆破的机理 13

第三章 致裂器释放管参数优化 14

3.1 引言 14

3.2 AUTODYN模拟喷嘴参数优化 14

3.2.1 AUTODYN简介 14

3.2.2 模型建立 15

3.2.4 模拟结果 16

3.2.5 等当量岩石乳化炸药的预裂爆破验算 18

3.2.6 释放嘴参数优化结果 19

3.3 喷嘴布置优化 22

3.3.1 现有释放嘴布置分析 22

3.3.2 适应预裂爆破的释放嘴布置 23

3.4 本章小结 24

第四章 二氧化碳致裂器爆破工程实例 25

4.1 引言 25

4.2 工程概况 25

4.2.1 工程概述 25

4.2.2 周边环境 26

4.2.3 地质条件 26

4.3 施工方案 27

4.3.1 爆破参数 27

4.3.2 施工工序 29

4.3.3 爆破效果 29

第五章 致裂器预裂爆破数值模拟 31

5.1 引言 31

5.2 离散元方法概述 31

5.3 UDEC简介 31

5.4 计算参数 32

5.5 模型建立 32

5.6 结果分析 33

第六章 结论与展望 39

6.1 结论 39

6.2 展望 40

参考文献 41

结语与致谢 42

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

目前我国经济的快速发展和“一带一路”的战略要求，公路铁路等基础设施建设的需求大量增加。而工程爆破技术由其优越地特性已经广泛地渗透进交通、水利、采矿、城市建设和城市爆破拆除等土石方开挖工程应用中。对于工程爆破技术而言，如何提高爆破的精确性是关键问题之一。例如公路边坡开挖，如果爆破不精确，则爆破边界与设计轮廓线不符合，超挖和欠挖部分需要二次施工增加施工成本和时间；同时因爆破而造成的保留区边坡岩石破碎和断裂会降低边坡稳定性，轻则使边坡支护困难增加施工成本，重则造成滑坡等灾害而威胁施工人员的生命安全。为提高爆破的精确性，岩石预裂爆破和光面爆破技术有广阔的应用前景。

预裂爆破和光面爆破都需要使用化学炸药辅以合理的炮孔参数来取得符合设计轮廓规整的爆生裂缝面。然而这并不能有效的减小爆炸产生的冲击波、振动、噪音、飞石和粉尘，而对周围员工、居民生命财产造成损失，并且也会导致环境受到破坏。另一方面，尽管我国目前工程爆破技术已经达到了很高的水平，但化学炸药爆破仍然是一项危险性的工作，受到相关部门的严格监管而限制了工程爆破的应用。