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4.简述凿岩机械的发展史?
第二章岩石强度与破坏性质
本章主要讲授岩石的物理力学性质、变形规律,及描述模型,掌握了岩石强度的一些变化规律,为解决岩土工程问题提供了分析的依据。
理解岩石的可爆性和可钻性分级指标。
岩石的本构关系
2
岩石强度
第三节
岩石内缺陷对强度的影响
4
第四节
岩石的可钻性与可爆性
1.岩石是自然界的产物,是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。
不连续性、非均匀性和各向异性是岩石材料最主要特性。
研究方法与研究的尺度有关,岩石的研究可以分为四个尺度:
即矿物颗粒尺度(micro-scale)、岩石尺度(macro-scale)、岩体尺度(mega-scale)、地质尺度(giga-scale)。
岩土爆破工程中的岩石属于中间的两个尺度上的问题,这时矿物的性质被平均掉了,所以仍把岩石当作弹性体来研究。
2.静力作用下常见岩石的某些物理力学性质
表2.1常见岩石的某些物理性质(静力作用)
岩石类型
密度
g·
cm-3
孔隙度
(%)
抗压强度
MPa
抗拉强度
火成岩
花岗岩
2.6~2.7
200~300
4~7
闪长岩
2.7~2.9
0.5
230~270
玄武岩
2.7~2.8
150~200
沉积岩
砂岩
2.1~2.5
5~30
35~100
1~2
页岩
1.9~2.4
7~25
35~70
石灰岩
2.2~2.5
2~20
15~140
变质岩
大理岩
2.5~2.8
0.5~2
70~200
石英岩
2.5~2.6
100~270
板岩
2.6~2.6
0.5~5
100~200
表2.2一些岩石的弹性常数E和μ(静力作用)
岩石
杨氏模量E/GPa
泊松比μ
20~98
0.14~0.25
29~88
0.13~0.25
辉绿岩
26~69
7.8~29
0.11~0.24
5.0~80
0.17~0.30
10~79
0.14~0.30
59~88
0.25~0.38
26~87
0.11~0.23
-
0.06~0.44
资料根据:
Jumikis,1983
2、岩石的变形特性
(1)应力-应变全过程曲线
四个阶段的划分:
压密、弹性、塑性、软化
(2)三向压力下岩石的变形
随围压的增大,弹性极限和屈服极限都增大,但是弹性模量和泊松比变化不大
3、本构关系:
(1)应力:
内力的集度。
(2)应变:
变形的集度。
(3)常见本构模型:
,(具体参见教材)
(4)弹性问题解答的平衡方程:
几何方程:
物理方程:
4、岩石岩石的强度试验与破坏准则
(1)单轴抗压强度
(2)单轴抗拉强度
(3)抗剪强度
(4)最大拉应力准则
(5)最大拉应变准则
(6)摩尔-库伦准则
C为内聚力;
φ内摩擦角
(7)格里菲斯准则
熟悉这些强度准则的内容和适用条件。
5、岩体:
是地质体,经历过多次反复的地质作用,经受过变形,遭受过破坏,形成一定的岩石成分、一定的结构、赋存于一定的地质环境中,在作为力学研究对象时被定义为岩体
岩体力学性质不能仅仅根据试块实验给出来,实际对岩体力学性质起作用的是岩体结构。
6、岩石的可钻性:
就是在一定技术条件下钻进岩石的难易程度。
可爆性:
岩石对爆破作用的抵抗或爆破岩石的难易性称为可爆性。
(四)难点
研究固体材料的破坏机理非常困难,至今还没有完全解决。
人们通过各种室内试验研究岩石的破坏,掌握了岩石强度的一些变化规律,并提出了若干个强度准则,为解决岩土工程问题提供了分析的依据。
岩石的破坏既与材料的本身性质有关,还与具体的受力状态有关。
(五)章节同步习题
1.花岗岩、砂岩、石灰岩、大理石的密度、弹性模量、抗压破坏强度大约是多少?
它们的泊松比各是多少?
2.单轴压缩时岩石的本构模型有哪些?
3.简述莫尔-库伦准则的意义。
4.什么是岩体?
简述结构面对岩体强度的影响。
5.什么是岩石的可钻性?
可爆性?
(六)作业
Page148:
3-1,3-2
第三章凿岩设备
本章主要讲授钻眼时的破岩原理和主要凿岩机的构造。
破岩原理与设备
凿岩机的结构与工作原理
钻眼机具
1、破岩原理与设备
(1)掌握三种破岩方式及代表机具、适用条件
(2)了解凿岩机的分类
2、凿岩机的结构
了解凿岩机的构造,了解主要凿岩机的性能,掌握凿岩机的发展趋势
3、钻眼机具
了解钻眼机具的种类和适用条件
(四)章节同步习题
1.根据破岩原理,钻眼方法分为哪几类?
其代表机具各是什么?
2.YT-23的工作系统由哪几部分组成?
3.凿岩机的架支机构有哪些?
各适用于什么条件?
4.与风动凿岩机相比,液压凿岩机有什么优点?
5.常用的钎头、钻头形状有哪些?
其使用条件是什么?
6.在煤矿中为什么要采用压缩空气为动力?
7.简述煤电钻的构造?
第四章介质中的波
本章主要讲授介质的状态方程、波的分类,以及冲击波的特点等。
介质的状态与状态方程
3
介质中波的分类
冲击波
1、守恒方程
质量守恒方程:
动量守恒方程:
能量守恒方程:
2、介质的状态方程
理想气体的状态方程:
多方气体的状态方程:
正压介质的状态方程
3、波的分类
纵波和横波都是在介质内部传播的波,二者又被称为体波,另外,还有在介质表面传播的波,波通过时,自由面上质点在垂直的射线平面内作反向椭圆运动,长轴垂直自由面,短轴平行自由面,被称为瑞利波;
其中质点在垂直传播方向的水平横向上作剪切形式的振动,没有垂直运动分量。
介质交界面传播的波,被称为勒夫波。
波阵面:
在波传播过程中,介质原始状态与扰动状态的交界面。
3、波的叠加
当两个扰动同时传到某一点时,那么这点的总状态参量等于两个扰动分别抵达这点的代数和,这便叫波的叠加性。
熟悉波的反射和透射规律,理解霍布金森效应。
4、冲击波
(1)冲击波的形成
了解冲击波形成过程
熟悉冲击绝热曲线和米海尔松直线的意义
(2)冲击波的特点:
1)冲击波的波速对未扰动介质而言是超音速的。
2)冲击波的波速对波后介质而言是亚音速的。
3)冲击波的波速与波的强度有关。
由于稀疏波的侵蚀和不可逆的能量损耗,其强度和对应的波速将随传播距离增加而衰减。
传播一定距离后,冲击波就会蜕变为压缩波,最终衰减为音波。
4)冲击波波阵面上的介质状态参数(速度、压力、密度、温度)的变化是突跃的,波阵面可以看做是介质中状态参数不连续的间断面。
冲击波后面通常跟有稀疏波。
5)冲击波通过时,静止介质将获得流速,其方向与波传播方向相同,但流速值小于波速。
6)冲击波对介质的压缩不同于等熵压缩。
冲击波形成时,介质的熵将增加。
7)冲击波以脉冲形式传播,不具有周期性。
8)当很强的入射冲击波在刚性障碍物表面发生反射时,其反射冲击波波阵面上的压力是入射冲击波波阵面上压力的8倍,由于反射冲击波对目标的破坏性更大,因此在进行火工品车间.仓库等有关设计时应尽量避免可能造成的冲击波反射。
(四)难点
冲击波的形成,及冲击绝热曲线和米海尔松直线的物理意义。
爆源载荷特征和岩体的结构是岩土工程爆破的两大基本问题,也是两个难题。
爆源载荷的理论分析与介质状态方程有关,针对爆生气体的状态方程,有理想气体的状态方程、多方气体的状态方程、正压介质的状态方程可供参考。
介质状态的改变导致了波的产生与传播。
流体中存在压缩波和膨胀波,其形成机理正好相反;
固体存在应力波,应力波的分类与质点的振动形态有关。
冲击波是一类特殊的压缩波,介质的状态有突跃的变化,这种介质状态的变化导致了冲击波传播速度是超音速的。
1.波的分类有哪些?
2.波、波阵面、波速的定义是什么?
3.纵波、横波、压缩波、膨胀波的定义?
4.冲击波的定义与特征?
5.应力波的叠加原理是什么?
6.波阻抗的定义是什么?
7.冲击绝热曲线的意义是什么?
第五章炸药及爆炸的基本理论
本章主要讲授爆炸的基本特征、工业炸药的分类、爆轰、起爆机理等。
爆炸的基本特征
炸药的分类及性能
爆炸反应过程与爆轰
起爆机理与感度
1.爆炸的基本特征
爆炸是指在有限体积内能量发生急剧转化的物理、化学过程。
在该变化的过程中,内能迅速地转化为机械压缩能、光、热辐射等,且使原来的物质或其变化产物、周围介质产生机械运动。
炸药并非是一个能量很高的能源,而是一个功率极大的能源。
炸药爆炸三要素与炸药爆炸做功能力密切相关,对不同的炸药,放热量的多少,反应速度的快慢以及生成气体的量是不同的,因而在爆炸性能上存在着差异。
炸药的爆炸必须同时具备这三个特征或者说这三个要素,否则就不会爆炸。
炸药爆炸过程是自动传播的,反应放出的热量是反应自动传播的能量条件。
2.炸药的分类和主要工业炸药
常用起爆药:
雷汞、叠氮化铅、二硝基重氮酚
常用猛炸药:
梯恩梯、黑索金、太安、硝化甘油、奥克托金、特屈儿
熟悉它们的物理化学性质
常用工业炸药:
铵梯炸药、铵油炸药、水胶炸药、乳化炸药
熟悉它们的组成和主要性质,如铵梯炸药:
⑴组成:
氧化剂:
硝酸铵(NH4NO3)提供氧元素;
敏化剂:
改善炸药性能,增加起爆感度,可燃剂,常用的TNT;
疏松剂:
木粉,使硝酸铵不容易结块,平衡多余的氧;
防水剂:
在防水品种炸药中加入石蜡、沥青。
消焰剂:
在煤矿许用炸药中加入适量食盐(NaCl),吸收
热量、降低爆温,防止引起瓦斯爆炸。
⑵种类:
分煤矿、岩石、露天三类。
3.爆轰过程
(1)了解爆轰和燃烧的区别
(2)氧平衡:
就是用来表示炸药内含氧量与充分氧化可燃元素所需氧量之间的比例关系。
掌握氧平衡的计算
✧对通式为CaHbOcNd炸药(单体炸药),其氧平衡计算
✧对于混合炸药其氧平衡计算:
✧对于一般形式CaHbOcNdFxClyKeMgfAlg氧平衡计算式为
计算口诀:
“先金后氧调整炭,剩余氮、氧两不掺”
(3)掌握爆容、爆热、爆温、爆压、爆力、猛度、爆速、间隙效应的概念
(4)理解爆轰波与冲击波的区别
(5)爆轰波的结构
了解C-J理论和Z-N-D模型
爆轰波稳定传播的条件(C-J条件)
也就是说如果没有C-J条件,那么爆轰波支上的任何状态都是可能的,但实验表明,对气相或凝聚相炸药爆轰,在给定初态下,爆轰波都是以某一特定的速度稳定传播。
Z-N-D模型将C-J理论中被处理成间断面的化学反应区推广到有限宽度,也就是化学反应区有一厚度而不是C-J理论的一个几何间断面,从理论上看Z-N-D模型比C-J理论更接近于实际情况。
ZND模型的基本假设:
①流动是一维的。
②冲击波是间断面,忽略分子的输运(热传导,辐射,扩散,粘性)。
③在激波前,化学反应速度为零,冲击波后的化学反应速率为一有限值非无穷大),反应是不可逆的。
④在反应区内,介质质点都处于局部热力学平衡态,但未达到化学平衡组分在变)。
这样,爆轰波可看成是有冲击波和化学反应区构成,而且它们以相同的运动速度在炸药中传播。
4.起爆机理与感度
(1)了解各种起爆机理的内容
(2)感度:
外界能量作用下,炸药发生爆炸的难易程度。
(3)殉爆:
装有雷管的主动药包爆炸时,能使相隔一定距离的另一同种药包发生爆炸的现象。
炸药对不同形式的外界能量作用所表现的感度是不一样的。
故不能简单地以炸药对某种起爆能的感度等效地衡量它对另一种起爆能的感度。
掌握各种起爆机理,判别炸药对各种外界能量的感度,指导研究、生产、贮存、运输、使用各个环节。
爆轰波的结构是本章的难点。
1.硝铵类炸药的主要成分有哪些?
各在炸药中起什么作用?
2.炸药爆炸必须具备哪三个基本要素?
各有什么特点?
3.什么叫炸药的氧平衡?
4.什么叫炸药的爆容、爆温、爆热、爆压、爆速?
5.什么叫爆轰波?
简述C-J理论和Z-N-D模型
6.简述热能起爆机理
7.简述冲击波的特点
8.何谓炸药的猛度和爆力?
如何测定?
(六)课后作业题
Page63-64:
1-1至1-12
第六章爆破器材与起爆方法
本章主要讲授起爆器材的分类,以及电力起爆法和非电起爆法。
起爆器材种类
非电起爆法
电力起爆法
1.起爆器材
起爆能:
炸药虽然属于不稳定的化学体系,但只有在一定的外界能量的作用下才能起爆,这种外界能量叫做起爆能。
工程爆破中使用的起爆器材主要有:
雷管、导火索、导爆索、导爆管、导爆管连接元件、继爆管(detonatingrelay)和起爆药柱等。
区分传爆材料和起爆材料
雷管的种类和结构
导火索、导爆索、继爆管的结构
最大安全电流:
雷管技术标准规定,通以恒定直流电5min不爆的电流值为最大安全电流,实测的最大安全电流值都在150mA以上。
最小发火电流:
若从最大安全电流开始,将电流逐渐增大,则雷管爆炸的百分数也逐渐增加,当电流达到某一数值时,将会达到99.9999%发火,这时的电流值称为最小发火电流。
了解起爆方法的分类
2.非电起爆法
了解三种主要的方法,及导爆索的连接方式、起爆网络等
3.电力起爆
必要的器材:
电雷管、导线、起爆电源和测量仪表。
会计算电爆网络
混联电爆网路的最大起爆能力计算:
网路总电雷管数则为:
式中n为每个串联组中串联个数,m为并联组数,U—电源电压,r—雷管电阻,R—母线电阻R1和电源电阻R2和。
电爆网络的计算
1.工程爆破,一次起爆60个炮眼,每个炮眼装一发3Ω电雷管,用串并联电爆网路,每串组10发雷管,6组并联,导线电阻5Ω,问220v交流电能否起爆.(交流准爆电流4A)
2.工程爆破中常用起爆方法有哪几种?
3.说明电雷管的构造、性能和工作原理?
4.什么是最小发火电流、最大安全电流、发火冲能?
5.电爆网络有哪些连接方法,各自的优缺点和适用条件是什么?
6.说明电雷管的串联准爆条件
Page97:
2-1至2-8
第七章岩石爆破理论
本章主要讲授岩石在爆破载荷下破坏的基本理论、爆破漏斗理论、最小抵抗线原理、岩石爆破的能量原理等。
岩石爆破破坏基本理论
爆破漏斗理论
最小抵抗线原理
岩石爆破的能量原理
第五节
通过安全预评价形成的安全预评价报告,作为项目前期报批或备案的文件之一,在向政府安全管理部门提供的同时,也提供给建设单位、设计单位、业主,作为项目最终设计的重要依据文件之一。
主要影响因素
(2)规划编制机关在报送审批专项规划草案时,将环境影响报告书一并附送。
1.基本理论
(1)五种破坏模式
1)直接使用价值。
直接使用价值(DUV)是由环境资源对目前的生产或消费的直接贡献来决定的。
(2)三个基本理论
岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的,随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下,使应力波形成的裂隙进一步扩展。
爆生气体膨胀的准静态能量,是破碎岩石的主要能源。
(3)两个作用
2.爆破漏斗
发现规划存在重大环境问题的,审查时应当提出不予通过环境影响报告书的意见;
(1)爆破作用指数n:
它是爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值
(2)爆破漏斗的形式:
(3)环境影响技术评估。
n=1:
标准抛掷爆破漏斗
(2)列出有关的法律、法规、规章、标准、规范和评价对象被批准设立的相关文件及其他有关参考资料等安全预评价的依据。
n>
1:
加强抛掷爆破漏斗
0.75<
n<
减弱抛掷爆破漏斗
(一)环境影响经济损益分析概述n<
0.75:
松动爆破漏斗
(3)两个概念:
临界深度:
不出现爆破漏斗的最小埋深
A.环境影响报告表最佳埋深:
爆破漏斗体积最大的埋深
(4)爆破漏斗的作用
(1)根据爆破漏斗试验,可以合理选择爆破参数,提高爆破效率;
一、环境影响评价的发展与管理体系、相关法律法规体系和技术导则的应用
(2)对不同成分的炸药进行爆破漏斗试验和对比分析,可作为选用炸药的依据;
(3)作为岩石可爆性分级的参考依据
(7)列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。
3.最小抵抗线
掌握地形和起爆顺序对最小抵抗线的影响。
4.岩石爆破能量法则
它是爆破药量多少的依据。
炸药单耗:
当群药包共同作用时,群药包的总装药量与群药包一次爆落的岩体总体积的比值称为单位耗药量,简称炸药单耗。
药量计算:
5.了解影响爆破效果的主要影响因素,区分爆轰压力和爆炸压力
波阻抗:
岩石(或其他介质)的密度同岩石(或其他介质)纵波速度的乘积。
1.岩石爆破破岩机理有哪几种假说?
你倾向于哪一种?
2.什么叫爆破内部作用和外部作用?
3.什么叫爆破漏斗简述其形成过程?
4.试分析岩石爆破径向裂隙和环状裂隙的形成机理?
5.自由面的存在对爆破作用将产生什么样的影响?
6.利文斯顿爆破漏斗的实质是什么?
7.解释下列爆破术语:
①最小抵抗线;
②爆破作用指数;
③单位炸药消耗量
Page148:
3-5至3-9
第八章爆破技术
本章主要讲授微差爆破、光面爆破,及预裂爆破技术等。
微差爆破
光面爆破
预裂爆破
1.微差爆破的定义
相邻孔(或相邻装药段或相邻排)之间以毫秒间隔时间相继起爆。
四种假说:
✓应力波干涉假说
若相邻两装药间隔若干毫秒爆炸,先起爆的装药在岩体内形成的应力场尚未消失,而后起爆装药又立即起爆,使两者所产生的应力波相互叠加,从而加强了破碎效果。
✓自由面假说
先起爆的装药在岩体内已造成了某种程度的破坏,形成了一个新的爆破漏斗,对后起爆装药创造一个有利的破碎条件,相当于新增加自由面并处于应力状态作用了。
同时,后起爆装药的最小抵抗线方向和爆破作用方向都发生了改变,朝向了新形成的附加自由面,即新形成爆破漏斗的斜边。
由于附加自由面的出现,岩石的夹制作用减小,爆炸能量能较充分地加以利用来破碎岩石,有利于降低大块率,减小抛掷距离和爆堆宽度。
按照这种假说,在微差爆破各种形式中,以台阶爆破的炮孔间隔起爆或波浪形微差爆破的效果最好。
除运动岩块能够发生相互碰撞这点外,自由面假说不能说明微差爆破和秒延期爆破的区别。
✓岩块碰撞假说
该假说认为,在微差爆破过程中,先后相继爆破下的岩块在运动过程中发生相互碰撞,利用动能使其再次发生破碎,导致运动速度降低,因而抛掷距离减小,爆堆集中。
按这种假说,微差爆破最好的起爆方式和起爆间隔时差应能为岩块发生碰撞创造条件。
✓残余应力假说
先期爆炸激起的爆炸应力波在炮孔周围的岩体内形成动态应力场,并产生径向裂缝向外扩展;
其后,高温高压的爆生气体渗入裂缝,在较长时间内使岩体处于准静应力状态,使裂缝进一步扩展。
后期装药若在此刻爆炸,就可利用岩体内已形成的残余应力来改善岩石的破碎质量。
了解微差爆破的优点:
(1)与秒差比,产生了应力场迭加和增加了微裂隙交叉作用,第一组应力场还未完全消失,第二组又迭加上。
(增加了破碎作用)
(2)与齐发爆破比,增加了新的自由面,第二组起爆,岩石移动时,第一组炮孔新的自由面已形成,从而增加反射拉伸波的破碎岩石作用,从而减少了夹制性和后冲作用。
(3)增加碰撞作用:
当第一组炮孔爆破的岩石还未完全落回时,第二组炮孔又起爆,岩石向上运动,与回落的第一组炮孔岩石在空中发生碰撞,产生二次破碎。
(减小抛掷作用、减小岩石爆破块度)
(4)降震:
降低每段药量,总药量被分为数段,使地震波在时间上分开了,地震效应是以最大一响的药量计算的,而非总药量。
2.预裂爆破的定义
沿开挖边界布置密集炮孔,采取不耦合装药或装填低威力炸药,在主爆区之前起爆,从而在爆区与保留区之间形成预裂缝,以减弱主爆区爆破时对保留岩体的破坏并形成平整轮廓面的爆破技术,称为预裂爆破。
了解预裂爆破的成缝机理和条件。
3.光面爆破的定义
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