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.      

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,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的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

不同方位裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为研究裂隙岩体爆炸动载荷作用下裂纹扩展规律,实验采用有机玻璃模型,以炮孔和裂隙相对位置为变量,通过单发雷管加载模型进行相似物理实验。结果表明,当预制裂隙右端圆弧顶点到炮孔中心连线与模型中间穿过炮孔中心的横虚线的夹角θ为0°和90°时,爆生裂纹数量相对较多,45°时爆生裂纹数量最少,但平均长度最长;每组模型总裂纹平均长度在裂隙右端半圆弧顶点到炮孔中心距离L为40mm时达到最大值;0°组各模型最长裂纹均分布在炮孔右侧,而45°和90°组则多分布于炮孔下侧;固定区域内爆生裂纹密度大多小于不定区域内裂纹密度;所有模型预制裂隙两端都能形成翼裂纹,同组模型同端扩展路径相似;L为20~30mm时两端翼裂纹扩展方向一致,L为40~60mm时两端翼裂纹扩展方向多相反;爆生裂纹扩展机制随角度θ变化而有所不同。研究结果可为裂隙岩体爆破设计及爆破参数优化等提供理论依据。     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

高瓦斯低透气性煤层聚能爆破增透机制

为解决常规爆破增透煤层过程中煤体粉碎严重而裂隙发育不佳的难题，进行了聚能爆破煤层增透技术研究。开展了聚能爆破与常规爆破的混凝土致裂实验，对比分析了爆破后混凝土裂隙开裂程度，同时利用超动态应变仪采集了应变砖应变随时间变化的数据。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟再现了聚能罩压垮运移、聚能射流侵彻混凝土的过程，对比分析了聚能爆破与常规爆破应力波传播特征及内部裂隙扩展过程。最后在平煤十矿进行了聚能爆破与常规爆破的煤层增透试验，对比了爆破后抽采孔瓦斯的体积分数。研究结果表明：聚能爆破后，聚能方向上混凝土的裂纹宽度为1.1 cm，垂直聚能方向上混凝土的裂纹宽度为0.4 cm，而常规爆破后混凝土形成的4条主裂纹的宽度均为约0.3 cm。数值模拟结果显示：聚能爆破混凝土的粉碎区呈“哑铃型”，常规爆破混凝土的粉碎区呈圆形，且聚能爆破混凝土的粉碎区面积小于常规爆破的；而裂隙区呈“纺锤型”，且聚能爆破混凝土的裂隙区面积大于常规爆破的，说明聚能爆破技术可有效解决爆破增透过程中煤体粉碎区严重而裂隙区发育不佳的难题，更有利于致裂增透高瓦斯低透气性煤层。现场试验结果同样显示聚能爆破后瓦斯抽采浓度明显高于常规爆...     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明:爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤 层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的 差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔 连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽 放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介 质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距 为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

煤层深孔预裂爆破耦合装药系数对爆生应力波能量的影响研究

针对煤层深孔预裂爆破爆生应力波能量弱、信噪比低的现状,为了给爆孔的装药结构提出合理的改进方案,本文建立了耦合和不耦合装药情况下爆孔孔壁爆炸载荷和透射波能量的计算模型,并利用Matlab软件获得了解析解。同时在淮南矿业集团潘三矿进行了耦合装药系数ξ对爆生应力波能量影响的现场实验,利用改进的基于功率谱的能量分析法对现场实验数据进行分析。理论数值计算及现场实验均表明:应力波总能量随ξ增大而减小;当ξ=1.5时,应力波信号在10~50Hz区间的低频能量最强,信噪比最高,增透效果最佳。     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了 一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想 判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的 应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的 判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近 40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部 地下工程岩爆研究领域推广应用。     

隔振沟对爆炸塔周边地表振动的影响

对内径2m、壁厚0.4m 的椭球封头爆炸塔进行有、无隔振沟条件下的对比爆炸实验,并监测塔体 周边6个测点的地表竖向及水平方向的振动速度。研究结果表明:地表质点的振动持续时间小于0.2s,竖向 振动频谱在20~500Hz范围内,水平方向振动频谱则在200~800Hz范围内;隔振沟使水平方向振动幅度衰 减至原来的1/10,对竖向振动幅度衰减至原来的1/4~1/3,对地表振动频率无明显影响;爆炸塔隔振沟的深 度为1m 时,对爆炸地震波无任何衰减作用,仅当深度达到1.5~2.0倍瑞利波波长时(5.6~7.5m)才会产 生明显的隔振效果。     

带空腔爆轰产物驱动准等熵加载技术与反积分数据处理技术

化爆加载技术常用来研究材料在冲击作用下的动态响应特性。通过在炸药与样品之间留一段空 隙的办法,实现爆轰产物驱动的无冲击加载飞片技术用于研究材料在弱冲击或无冲击加载条件下的动态响 应特性,利用二维程序模拟了整个实验过程,提出了装药直径对实验结果的影响。并利用反积分数据处理技 术对实验数据进行了处理与分析。     

工程岩体中多弹重复打击效应的数值模拟分析

根据现场岩体特性,将岩体剖分为结构体和结构面2部分,针对结构体构建了均质岩石本构模型,而后依据结构面分布特性,构建了考虑天然岩体非均质性的空间块体模型。采用这一空间块体模型,对重复打击效果进行了大量数值模拟分析,数值模拟与现场实验结果基本一致,两者均表明,因受残余弹片、命中点偏差和岩体非均质性等因素综合影响,多弹重复打击破坏深度存在着一个极限值。     

基于正交设计方法的双锥罩结构优化设计

设计了一种双锥药型罩,借助数值模拟和实验手段研究其成形及侵彻机理,利用正交设计方法研 究不同结构的射流成形性能。结果显示:该双锥罩在爆轰波作用下形成高速射流、翻转弹丸和杵体;小锥角 2 显著影响射流头部速度;罩厚t及大锥角2 高度显著性影响弹丸速度;最佳设计参数为:t=0.14cm、2= 50、2=135、小锥角与大锥角罩口直径比N =0.4或0.5,其射流速度分别为6613、6839m/s,弹丸速度分 别为2247、2095m/s,侵彻钢靶深度分别为8.24、8.31cm,开口孔径分别为2.12、2.08cm。最终优化的双 锥罩结构合理,既保证了射流速度,又大大提高了弹丸速度,射流和弹丸先后侵彻目标,达到双重毁伤的目的; 在低密度装药和小炸高条件下侵彻效果较理想。     

金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形 式状态方程,对金属采用p(,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线 性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜 冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设, 则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内 声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结 果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明 本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

非药式水下爆炸冲击波加载装置研究

非药式水下爆炸冲击波加载装置作为实验室范围内一种新型水下爆炸冲击波加载技术,具有耗费低、危险性小、可重复性高等优点,对进一步研究水下冲击波毁伤效应具有重要意义。该装置通过一级轻气炮发射飞片正撞击水舱端部活塞在水舱中产生呈指数型衰减的水下冲击波。本文中采用实验与数值模拟相结合的方法对该装置产生的冲击波可靠性进行了研究,确定了一定工况内的初始冲击波强度及衰减时间常数,实验结果表明,该装置能够有效模拟水下爆炸冲击波载荷。     

隧道爆破近区振动的预测方法

将比例距离的概念应用于隧道爆破振动分区中,以速度衰减曲线斜率的大小作为分区计算的依据。在此基础上,提出采用BP小波神经网络的方法预测爆破近区振速,以棋盘山隧道实测数据验证模型的可行性。结合泉厦高速公路大坪山隧道工程实例,对临近既有隧道形式的隧道爆破地震波传播规律进行分析,并对近区振速进行预测。分析表明:（1）在无实测值时,隧道爆破分区可按比例距离大致划分为:比例距离 < 5.0为爆破近区;5.0≤比例距离≤9.0为爆破中区;比例距离 > 9.0为爆破远区。（2）BP小波神经网络爆破近区预测模型不仅适用于新建分离式隧道,也适用于临近既有隧道的新建小净距隧道。研究成果对复杂环境下的隧道钻爆施工具有一定的指导意义。     

弹丸侵彻混凝土加速度信号测试及分析

针对弹丸侵彻混凝土加速度信息获取及实测信号失效问题,采用弹载存储测试系统进行了实验,并基于LS-DYNA进行了高速碰撞过程的数值模拟,经处理后的数据曲线与实测侵深符合较好,数值模拟计算结果与实验结果较吻合。通过实验分析与理论推导相结合的方式对应力波、测试装置的基础运动和安装结构刚度、加速度计安装方式等部分影响因素进行了实测加速度信号的影响分析,分析结果对高g值冲击测试问题具有一定的参考价值。