爆炸冲击波的动态破岩特性研究

运用爆炸冲击波理论，讨论了炮孔柱状装药爆破时的岩石粉碎区及其形成时间、爆腔半径及其扩胀规律。通过分析表明:影响粉碎区半径和爆腔半径的主要因素是冲击波的强度、岩石的性质和炮孔尺寸等。     

岩石爆破的粉碎区及其空腔膨胀

本文根据爆炸冲击波的理论分析,讨论了柱形装药和球形装药的粉碎区半径、炮孔近区的压缩比、爆破空腔及其空腔的发展时间。通过分析,给出柱形装药的爆炸近区参数。计算结果表明:2号铵梯岩石炸药柱形装药在岩石介质中产生的粉碎区半径一般是炮孔半径的1.65～3.05倍,球装药在岩石介质中产生的粉碎区半径是球形装药半径的1.28～1.75倍;柱形装药在孔壁处的冲击波波长与炮孔半径属于同一量级;粉碎区内的平均压缩比为1.05～1.10。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

钻孔爆破中炮孔堵塞效果及堵塞长度的研究

基于炮孔爆破的特点,利用爆破理论和应力波理论,分析了炮孔堵塞物的作用机理、受力情况及在炮孔中的运动过程,推导出了炮孔堵塞长度的计算公式,并在此基础上对炮孔堵塞及堵塞对爆破效果的影响进行了实验,实验结果表明了钻孔爆破中炮孔堵塞的重要性和必要性．研究结论可为爆破参数设计提供理论依据．     

空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究

为解决含空孔直眼掏槽中炮孔间距、炮孔与空孔距离的确定问题,首先,从爆生气体膨胀做功致裂岩体和空孔效应入手,推导了爆生裂纹的长度计算公式,确定了掏槽炮孔间距a和炮孔与空孔距离L的计算公式,得到了大空孔直眼掏槽空孔处片裂区长度公式,确立了应力集中作用下空孔迎爆侧径向裂纹产生的判据;然后,以灰岩(硬岩)和泥岩(软岩)对比分析了不同设计思想下的爆破参数和掏槽效果;最后,结合工程实践验证了理论分析的可靠性。结果表明:不同设计思想下,含空孔直眼掏槽的爆破破岩机理不同,以a为主时,相邻炮孔间裂纹的贯通是形成槽腔的关键,而以L为主且考虑空孔效应时,炮孔与空孔优先贯通形成槽腔。硬、软岩中应力波(动作用)与爆生气体(静作用)对爆生裂纹长度的贡献率约为4∶1和9∶1,空孔效应导致的软岩的片裂区大于硬岩的,爆破参数设计时应重点考虑;而空孔处产生径向裂纹的临界距离均小于炮孔爆生裂纹长度与空孔半径之和,因此不会产生径向裂纹,爆破参数设计时可不予考虑。以上结果说明,不同设计思想对槽腔掏槽爆破参数和槽腔爆破效果影响较大,基于爆生气体致裂的爆生裂纹长度计算模型可为爆破参数设计提供参考。     

钻孔爆破过程中顺倾边坡软弱夹层的运动力学模型

针对顺倾边坡爆破时爆轰气体冲刷、压密软弱夹层而形成爆腔从而影响边坡稳定的问题,应用爆轰流体动力学和气液两相流理论,分析了在钻孔爆破过程中软弱夹层在爆轰气体作用下的压密和推移机理,建立了爆破过程中软弱夹层的运动力学模型,导出了爆腔在爆轰气体作用下的运动速度、最终半径和扩腔时间同装药参数和软弱夹层力学参数的定量关系。将该运动力学模型应用于两个典型实例的爆腔计算中,计算值与实测值的相对误差仅为4%左右,软弱夹层的运动速度随距炮孔中心距离的关系曲线也与试验曲线变化规律一致。     

集束孔掏槽爆破破岩机理研究

掏槽爆破是竖井掘进爆破的常用手段，集束孔爆破用于掏槽爆破可有效提高掏槽效率。集束孔掏槽爆破过程涉及到结构在动力载荷下的从连续介质到非连续介质过程，数值计算过程复杂，如何快速估计某特定集束孔设计的爆破效果一直是科研界与工程界研究重点之一。本文基于应力波叠加方法提出了爆破区半径快速计算公式，同时基于连续–非连续单元法对5孔集束孔爆破设计展开了理论与数值分析。通过与实验结果对比，验证了计算公式的有效性，并讨论了集束孔掏槽爆破的破岩机理与规律。结果表明，当集束孔孔间距为4～5倍炮孔直径时，爆破效果最佳。本文相关成果可为爆破设计人员提供一定指导。     

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明：考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。     

爆破振动波叠加数值预测方法

根据场地地震波的传播叠加原理,以实测单炮孔爆破振动波形为基础,考虑预测点位置与各炮孔 的相对位置关系,并按照实际起爆网路设计的各炮孔起爆时差和实测的地震波传播速度等参数,计算获得预 测点的爆破振动波形。不仅可以预测爆破振动速度峰值,而且可以预测完整的振动波形,并可获知爆破振动 持续时间及主振频率分布范围。根据现场应用数码电子雷管的深孔爆破实验,该方法计算的预测波形与实测 波形相当吻合,计算结果可靠性较好,可以在实际工程中推广使用。     

光面爆破相邻炮孔存在起爆时差的炮孔间距计算

根据光面爆破炮孔爆炸载荷的时间衰减和相邻炮孔的非同时起爆,对光面爆破的炮孔间距计算进行研究,提出新的光面爆破参数设计方法,并得出炮孔爆炸载荷衰减速度、相邻炮孔起爆时差对炮孔间距的影响。分析认为,就实现较大的光面爆破炮孔间距而言,提高炮孔堵塞质量较提高雷管起爆时间精度更有意义。     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。     

下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究

基于Heelan短柱药包理论,引入等效作用半径的概念,得到内部瞬时激励荷载作用下爆破峰值振动速度的衰减模型方程,并通过量纲分析进行验证。结合下穿隧道爆破工程,研究不同雷管段位及不同炮孔类型对应的爆破峰值振动速度的衰减规律。此外,讨论球形装药、柱状装药条件下改进公式的药量形式表达式,结果显示,利用等效作用半径作为拟合参考变量可以综合考虑不同雷管段位及不同炮孔类型对爆破振动规律的影响。统计数据表明,利用改进公式得到的拟合效果最优,可以为类似隧道爆破振动研究提供参考。     

无限冰介质中爆炸裂纹扩展机理与数值模拟

根据冰体力学性能,提出了无限淡水冰介质在爆炸冲击载荷下的压碎区及裂隙区的理论计算方法.利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了爆炸载荷下无限区域冰体内裂纹扩展过程,模拟结果与实验结果基本一致,表明采用的损伤断裂模型能够较准确的反映无限冰介质动态力学性能及裂纹成形过程.数值模型可近似计算冰体中裂隙区的半径.数值计算值与理论计算值误差不超过5%,数值模拟结果与实验结果吻合,从而确定了无限区域冰体在-15℃时的基本破坏特征及范围.     

高地应力条件下的巷道崩落爆破参数

以柱装药爆破漏斗理论为基础,对高地应力巷道崩落爆破标准漏斗形成进行研究,导出了高应力条件下形成崩落爆破标准漏斗的判断准则,进而导出了相应条件的巷道崩落爆破参数计算式。结果表明,地应力的作用要求对巷道崩落爆破的现有参数计算进行修正,而且地应力越高,崩落爆破的最小抵抗线和炮孔间距减小越多,单位耗药量和循环炮孔数量增加越多。最后指出,选用较高爆速的炸药可减缓崩落爆破参数随地应力增大而改变的速率。     

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制,并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素,开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知:加载速率低于190 GPa/s时,可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围;燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区,破碎区直径为井眼直径的1~3倍,初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍;冲击载荷作用下,初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关,且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度,为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。     

框-筒结构建筑物的折叠爆破拆除

采用共节点分离式钢筋混凝土模型,对框-筒结构折叠倒塌进行了三维数值模拟,包括底部起爆和顶部起爆2种方式,并且在底部起爆方式中,采用了不同切口高度和延迟时间。对结构的倒塌过程、支撑立柱的破坏过程进行了比较分析。结果表明:采用底部起爆时,结构下部压碎程度较采用顶部起爆严重;同为底部起爆,延迟时间0.25 s的结构破碎比0.5 s严重;底层立柱采用不同的切口高度和延迟时间,结构的倒塌方向发生了改变,结构略向南倾倒;支撑柱的破坏过程不同,对结构的后坐距离产生影响,采用底部起爆时,结构的后坐距离小于顶部起爆。通过对混凝土和钢筋单元受力过程进行的分析,共节点分离式模型能够反映钢筋和混凝土2种材料的力学性能差异。     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟，以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据，对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分，得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外，还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响，以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明，随着弹体侵彻速度的增大，混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大，粉碎区半径增大，而破裂区半径却减小；当侵彻速度达到某一特定值时，破裂区将会消失。     

裂尖曲率对裂纹前缘塑性区的影响

考虑尖端为圆弧形的钝头裂纹模型，在外围取线弹性无裂纹体的解，应用线场分析方法。形成一套估计钝头裂纹前缘塑性区尺寸的方法。对含径向裂纹和圆弧形裂尖的圆盘受均匀张力作用情况，给出了塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率的关系。得到的结论是，塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率有关；对于给定的塑性区的裂纹前缘尺寸，载荷反比于外缘尺寸的平方。前一结论说明了塑性区的裂前尺寸作为裂纹失稳扩展判断的局限性；后一结论说明了裂纹体强度失效的尺寸效应规律：抗断强度与总体线尺寸的平方成反比。