聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。     

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.      

聚能爆破在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域.根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生及扩展进行了研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了工程试验.试验结果表明由聚能药包岩石定向断裂爆破有明显的定向作用,裂纹的定向断裂控制效果理想,经济和社会效益明显.     

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。     

切槽孔爆破动态力学特征的动焦散线实验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了有机玻璃切槽孔爆破模型的裂纹动态特征变化规律。比较了不同切槽角度、切槽深度的定向断裂裂纹尖端的扩展长度、扩展速度和动态应力强度因子。初步探讨了切槽爆破的动态效应,研究表明切槽孔爆破早期裂纹破坏模式为爆炸拉应力波作用下的I型快速扩展裂纹,裂纹尖端拉应力集中积聚的较大应变能维持了爆炸裂纹进一步扩展,裂纹尖端扩展后期表现为P波、S波共同作用下的复合型扩展特征。切槽角为60时获得的定向断裂效果最好,合理切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2。     

切缝药包爆炸作用机理数值模拟

为研究切缝药包定向控制爆炸机理,基于双缝/耦合切缝药包爆轰行为高速纹影实验,建立"炸药-切缝管-空气"模型,采用数值模拟方法研究切缝药包爆炸过程中冲击波相互作用、爆炸流场压力时空分布和切缝管形态变化。研究结果表明:切缝药包爆炸过程中切缝管能够有效控制爆炸能量释放和爆生气体动力学行为;切缝方向压力超前且高于非切缝方向;在爆炸冲击波及爆生气体共同作用下,切缝管曲率不断变小且从起爆点处以相同的变形特征沿切缝管轴向发展;数值模拟结果与实验结果吻合。     

深孔爆破技术在高地应力低透气性高瓦斯煤层增透防突中的适用性

同时考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力和煤层地应力的作用,对不同地应力条件下的高瓦斯低透气性煤层深孔爆破进行了有限差分动力数值模拟,并与室内相似模型实验和相关现场实践进行了对比。结果表明:地应力对煤层深孔爆破效果的影响显著,尤其对于高地应力煤层,地应力严重抑制着煤层爆生裂隙的扩展,煤层爆生裂隙半径随地应力的增大而近线性地减小,但深孔爆破技术对于高应力低透气性煤层仍可取得良好的增透效果;煤层地应力的主应力方向在一定程度上影响着爆生裂隙的扩展方向,实际工程需结合煤层地应力状况来布置爆破孔的空间位置。     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

爆炸荷载和地应力耦合作用下煤体裂纹扩展的模型实验研究

为了研究地应力作用下煤体柱状装药预裂爆破裂纹扩展,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验,并对地应力和爆炸荷载耦合作用下煤体中的裂纹扩展机理进行了研究。该模型描述了在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的;地应力对裂纹的发展具有抑制作用;主应力对于拉伸裂纹的发展具有明显的导向作用。     

切缝管轴向不耦合装药爆破实验

采用动态应变测试和高速摄影系统，对切缝管空气间隔装药定向断裂爆破机理进行研究。共采用4种装药结构，研究发现:当轴向不耦合系数为1.5时，炮孔两侧测点的应变比最大为2.1，压力持续作用时间达到9 μs，定向断裂效果显著。通过高速摄影测试发现裂纹的扩展速度并不是一个常量，扩展速度呈现震荡变化，并对其形成机理进行分析。在模型实验的基础上，分别采用不耦合装药系数1.5和1.66，进行地下隧道和露天边坡工程爆破现场实验，取得了良好的效果。     

围岩应力重分布对隧洞爆生裂隙区比例半径的影响

基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机理的研究,采用莫尔库伦准则及最大拉应力准则,研究了围岩应力重分布对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,围岩应力重分布对爆生裂隙区比例半径有重要影响,隧洞围岩应力重分布将减小隧洞径向爆生裂隙区比例半径,压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径可降低20％以上,拉伸破坏模式下可降低10％以上。爆炸应力波作用下,岩体更容易沿结构弱面发生压剪破坏。利用围岩的应力重分布作用,可以降低爆破对保留岩体的损伤作用。     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。     

定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析

采用新型数字激光动态焦散线实验系统, 对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。研究结果表明, 在空孔周围强应力场的影响下, 2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转, 并在空孔处贯通; 空孔附近的主应力方向与炮孔连心线夹角基本稳定在约12°, 增大空孔尺寸对空孔附近的主应力方向影响不明显; 爆炸应力波与空孔相互作用, 产生反射拉伸波, 改变了主裂纹尖端的应力场, 降低了主裂纹的扩展速度, 且空孔直径越大, 主裂纹的扩展速度越低; 当爆生主裂纹扩展到空孔附近时, 主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。     

深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定

利用弹性理论方法,结合周边控制爆破的炮孔间贯通裂纹形成机理分析了原岩应力对光面爆破和预裂爆破炮孔间贯通裂纹形成的影响。结果为:原岩应力的存在有利于光面爆破的炮孔间贯通裂纹的形成,不利于预裂爆破的炮孔间贯通裂纹的形成。由此得出结论:高原岩应力条件下的隧洞开挖周边控制爆破宜采用光面爆破方法,光面爆破参数需要根原岩应力、隧洞开挖半径和岩石力学性质进行相应调整。对高原岩应力条件的隧洞开挖实施预裂爆破时,应采用岩石定向断裂爆破技术。     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。