大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。     

小比距离密闭空腔爆炸爆后气体温度和压力测量技术研究

为实现空腔爆炸温度、压力变化趋势的准确测量，基于铠装K型热电偶和压力变送器，建立密闭空腔爆后气体温度、压力测量系统。设计密封隔热防护装置，将传感器的敏感端与信号调理模块分别安装在两个密封腔内，有效提高了传感器在大当量爆炸冲击条件下的存活率。在0.86 m/kg1/3比距离密闭空腔大当量爆炸条件下，对传感器及防护装置的性能进行考核验证，爆后测量采集到了有效的气体温度及压力变化历程，且传感器状态能够最终恢复至正常状态。测试结果表明，使用密封隔热安装的K型热电偶和压力变送器可以满足小比距离密闭空腔爆后气体静态温度、压力测量需求。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

地下强爆炸诱发地表塌陷的试验模拟与应用

地下核爆炸后会在地表产生下陷弹坑、塌陷带等不可逆变形爆炸后效应，利用地表形变信息对地下核试验进行有效监控和评估具有十分重要的意义。基于考虑重力影响的地下强爆炸塌陷成坑相似理论，利用陆军工程大学自主研制的地下爆炸效应真空室模拟试验装置，对2017年9月3日朝鲜地下核试验诱发的地表不可逆变形进行了模型试验。试验结果表明，地表塌陷带半径为257 m，下陷弹坑的半径为154 m，与美国、前苏联等国家已有的地下核试验经验公式的数据结果基本相当，并且符合天基雷达TS-InSar卫星监测数据的估算结果，验证了地下爆炸真空室模型试验在地下强爆炸诱发地表不可逆变形区域模拟和评估的可行性，成为有效补充地震波和卫星监测地下强爆炸的一种研究手段。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果，通过理论分析，对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后，泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团，由于欠膨胀，云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后，在一定条件下，可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧，压力迅速上升，以致产生二次爆炸。     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

时序控制预裂爆破参数优化及应用

针对白鹤滩水电站地下厂房的爆破开挖,为降低爆破对岩体的损伤,采用数值模拟与现场试验研究小孔径时序控制预裂爆破中,后爆孔孔间延期时间及后爆孔孔距对时序控制预裂爆破成缝的影响,从而获取合理的延期时间和最佳的后爆孔孔距。研究结果表明,孔径为42mm的时序控制预裂爆破,先爆孔孔距为35cm时,合理的起爆延期时间为75~100μs;综合考虑炸药爆炸能量利用率和成缝效果,最佳的后爆孔孔距为70cm。科学地采用时序控制预裂爆破不仅可以减小钻孔工作量与炸药用量,还能降低对岩体的损伤,可为地下厂房爆破开挖安全、高效的进行提供一条有效的途径。     

岩石中化学爆炸气体渗漏行为的实验研究

通过小药量化爆模拟实验,研究了岩石中满足缩比关系的不同药量化学爆炸一氧化碳渗漏时间、渗漏份额与药量的关系。研究结果表明:相同介质中缩比爆炸实验气体渗漏时间大致与药量的三分之二次方成正比,渗漏停止时间也大致与药量的三分之二次方成正比;封闭空间内化学爆炸在爆室内产生的高温能够使爆室内一些物质分解产生非冷凝气体;对于不同药量的缩比实验,小药量实验的气体渗漏份额不小于大药量实验的气体渗漏份额。根据此研究结果,可以用小药量地下爆炸气体渗漏行为的监测结果预估大药量实验的气体渗漏行为。     

低含水率砂土和饱和砂土场地爆炸成坑特性实验

爆坑是土中爆炸荷载作用下的主要响应形式,基于大型爆炸实验场地,开展了一系列低含水率砂土和饱和砂土中的爆炸成坑现场实验,研究了药量、埋深及含水率等因素对土中爆坑效应的影响。研究结果显示:根据药包的比例埋深,低含水率砂土场地的最终爆坑形态可以分为隐爆、塌陷型漏斗坑和抛掷型爆坑3类,发生封闭爆炸的临界比例埋深为2.3 m/kg1/3;形成抛掷型爆坑的条件为比例埋深小于1.5 m/kg1/3;当比例埋深为1.5~2.3 m/kg1/3时,形成塌陷型漏斗坑。土中孔隙水压力的增大导致坑壁周围土体发生了液化流动、坍塌,最终造成爆坑横向尺寸的扩大。相同爆源条件下,饱和砂土场地形成的坑面直径比低含水率砂土场地提高了25%~35%,饱和砂土场地发生封闭爆炸的极限比例埋深可达2.5 m/kg1/3。     

浅埋高压输气管道爆炸地面振动的原型试验与数值模拟研究

针对浅埋高压输气管道爆炸产生的地面振动效应，采用现场试验结合数值模拟的方法展开研究。组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验，掌握了高压输气管道爆炸地面振动的量级范围以及衰减规律。经试验数据分析得到，埋地高压天然气管道爆炸造成的地面振动主要产生于物理爆炸过程中，随后发生的天然气爆燃过程并未产生明显的地面振动。基于非线性有限元程序 LS-Dyna建立了高压输气管道爆炸试验计算模型，计算结果与试验现象吻合较好，验证了模型参数设计的合理性。进一步分析了管道爆炸瞬间管内气体-管壁-土体的相互作用机理、应力分布以及裂纹扩展规律。由计算结果分析得到，管道开裂是由于内部高压气体推动管壁向两侧扩展在裂纹尖端处形成了应力集中，管壁冲击土体的速度可达50 m/s，冲击产生的塑性状态向远处传播逐渐衰减为弹性应力波，即形成了地面振动效应。研究成果揭示了高压气体管道爆炸地面振动的主要成因，可为爆炸事故振动预防提供理论参考和技术支持。     

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

Magnetic dipole moment produced by an explosion of one kiloton of TNT

The paper reports results obtained in numerical simulation of the formation of a magnetic dipole moment by displacement of the geomagnetic field in an underground camouflet. The cases of chemical and nuclear explosions equivalent to an explosion of 1 kiloton of TNT are considered. From the calculation results it is concluded that electromagnetic measurement results can be used for monitoring of nuclear test.     

Gas Leakage Prediction Model of Large-Scale Explosions in Hard Rock Based on Quantification Theory

The toxic gas produced by the underground large-scale contained explosions have a great impact on the surrounding environment safety of the explosion project, so it is of great significance for the safety protection design to predict the leakage of the explosion gases to the environment. Based on the study of the one-dimensional spherically (axially) symmetric fluid dynamic model for seepage of the underground contained explosion gases, the qualitative and quantitative variables which impact the gas seepage, such as the explosion cavity, the gas pressure in the cavity and the rock mass permeability, among which the qualitative variables can describe the uncertainty of the geological mass, were analyzed. In accordance with the physical significance of variables and the quantification theory, the qualitative variables were quantified and such details as the principle for variable selection, significance assessment and recurrence test to establish a quantification prediction model, etc. were discussed. Based on 15 test samples on the hard rock conditions, we have established a quantification model for prediction of the contained explosion gases leakage at the specific site. The prediction accuracy of this model can meet the requirement of this project, and according to this model, it is known that such qualitative factors as groundwater status and rock properties have significant influence on the gas leakage. In this study, the prediction model is established based on physical analysis so that the quantitative prediction model could have its rationality and effectiveness well ensured, and the research methods and results in this paper could be promoted and applied in the similar engineering practices.     

不同介质地下爆炸的地震耦合效应

对黄土、砂砾石和花岗岩等几种不同介质中的地下爆炸实验进行了地表速度测量,利用实测数据 获得爆炸源频谱以及以折合速度势低频稳态值表示的地震耦合强度。实验结果表明,对于相同当量、相当比 例埋深下的地下爆炸,地震耦合强度和源区介质特性有着强烈的依赖关系,其中介质强度是影响地震耦合效 率的最主要因素,而介质的干孔隙率和水饱和度也是影响地震耦合效率的重要因素。考察了M.D.Denny等 提出的经验公式在估算100kg级当量地下爆炸地震耦合强度的适用性和局限性。