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TheoryModelofRockMassBlastingandItsApplicationPh.D.Candidate:YaoJinjieMentor:Prof.ZhuYiwenApril,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1000