不同温压超临界CO_2气爆喷孔冲击应力变化规律实验研究

为研究不同温压条件下超临界CO_2气爆过程中气爆管喷孔喷射的爆生气体对被爆物体产生的冲击应力变化规律,自主设计了超临界CO_2气爆实验系统及数据采集装置,实验得到了在不同初始温度和压力下对称双喷孔喷射的超临界CO_2气爆爆生气体冲击应力变化规律:喷孔喷出的爆生气体作用于被爆物体的冲击应力经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段。冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,且冲击应力衰减阶段持续时间大于冲击应力激增持续时间。冲击应力随初始温度和初始压力的增大而增加,初始压力变化引起的气爆冲击应力变化比初始温度变化明显,增大超临界态CO_2的初始压力提高气爆冲击应力优于提高超临界态CO_2的初始温度。最后得到了冲击应力峰值P_(max)与初始温度T和初始压力P的关系P_(max)=ɑT+bP+C。     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

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。     

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。     

泄爆面积对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响的实验研究

利用自主搭建的泄爆容器结构响应测试系统,开展了不同泄爆面积条件下甲烷-空气预混气体泄爆实验,结合振动加速度、内部超压、火焰演化和信号频率-时间分布等探究了泄爆面积对容器结构响应的影响特征及机制。研究发现:（1）容器振动加速度曲线和内部超压曲线具有相似的变化趋势,两者均存在双峰现象,且两者一一对应,但加速度峰值出现略迟;随着无量纲泄爆系数增大,第1个内部超压和加速度峰值主体为增大趋势,而第2个内部超压和加速度峰值的变化趋势为先减小后增大再减小;（2）火焰未到达泄爆口之前,上部的火焰平均速度随着无量纲泄爆系数增大而减小,无量纲泄爆系数较小时火焰较早从泄爆口喷出;（3）在当前实验条件下,当无量纲泄爆系数为25.00时,热声耦合现象最剧烈,表现为最大幅值的振动响应和最大能量的高频振荡,而随着无量纲泄爆系数进一步增大或者减小,热声耦合现象逐渐衰减。     

泄爆和氮气惰化耦合作用对氢-空气爆炸影响的实验研究

为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响,在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明:当φ≤40%时,容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成;而当φ>40%时,内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起;在所有实验中,都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡,其振荡频率随φ的增加而降低;声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时;容器内3个不同压力监测点（靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端）的最大爆炸超压p_max都随着φ的增加而降低,且整体上最大的p_max始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>40%时,3个监测点间p_max的差异可忽略不计;外部最大爆炸超压也随φ的增加而减小,且不论其大小如何,均对内部压力曲线有显著影响。     

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。     

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。     

泄爆诱导二次爆炸的实验研究

在不同泄爆压力、不同泄爆面积和不同当量比的甲烷/空气预混气的实验条件下,采用容积为0.00814m3带导管的柱形泄爆容器和底端中心点火方式,进行了一系列泄爆实验。实验获得了内外流场测点的压力历史曲线。结果表明泄爆后外流场出现典型的破膜激波和二次爆炸波的双峰变化特征,前者不断下降,其强度随泄爆压力的增大而增大,而后者经历了上升和下降过程,强度随泄爆压力、泄爆面积和甲烷/空气当量比的增大而增大。     

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。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。     

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.     

微型药柱有限水域爆炸径向压力衰减规律研究

为了研究药柱水下爆炸冲击波压力的衰减规律, 通过实验研究了不同装药量微型药柱 有限水域爆炸固定距离的压力曲线, 得到装药量与峰值压力间的关系, 通过数值模拟方式验 证了实验的正确性. 在同一装药量情况下研究了药柱水下爆炸径向压力的衰减规律, 通过曲 线拟合, 得到径向峰值压力随爆心距离的衰减曲线和方程.     

深井气侵关井引发的井筒多相水击压力特性研究

结合小扰动理论,建立了深井气侵关井引发的井筒多相水击压力模型。利用有限体积及特征线等数学方法,提出了基于离散网格求解井筒多相水击压力方法。结果表明:气侵量、井深及关井时间等参数均对井筒多相水击压力影响显著;井底气体的侵入,大幅降低了环空压力,增大了井筒空隙率,减小了井筒水击波速,延缓了井底水击压力峰值点出现时间;随井底气侵量增大,井筒多相水击压力呈减小趋势,气侵量从1.46m3/h增至4.14m3/h,水击压力高峰值大幅度降低;随井深增大,水击压力呈减小趋势,井深1550m同井口处相比,水击压力高峰值减小86.63%;随关井时间延长,水击压力呈减小趋势,关井时间延长10s,水击压力高峰值减小44.46%。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

泄爆过程中外部爆炸现象的实验研究

采用压力测量与YA-16 高速阴影系统同步测量方法，对柱型容器内甲烷-空气混合气体的燃烧及泄爆过程进行实验 研究. 获得正常泄爆和发生外部爆炸(也称二次爆炸)时泄爆外流场压力-时间曲线和流场 阴影照片. 结果表明：泄爆过程中发生外部爆炸的典型特征为, 在压力-时间曲线上,破膜激 波形成的第一个压力峰值后出现外部爆炸形成的第二个压力峰值，在流场阴影照片上,破膜 激波后有第二道爆炸波出现.     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力，设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验，采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa，爆炸开始后喷射氮气，爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明，单喷头距泄压口20 cm时，各压力下喷出的氮气都未能阻爆，但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小；单喷头距泄压口35 cm时，喷气压力0.5 MPa下成功阻爆，其他喷气压力下未能阻爆；双喷头喷气时，喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆，且喷气压力越大，火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现，需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下，因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时，喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时，氮气区扩大，阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。     

爆炸荷载对不同距离邻近隧洞背爆侧裂纹影响的模拟试验

利用爆炸加载动态焦散线测试系统,模拟了不同起爆距离L时,爆炸荷载作用于邻近隧洞的全过程;通过分析迎爆侧破坏现象和背爆侧预制裂纹扩展的位移、速度以及裂纹尖端动态应力强度因子曲线的变化规律,研究了不同间距并行隧洞爆破开挖对既有隧洞的影响。试验结果表明:随着L增大,隧洞背爆侧裂纹的最终扩展位移呈先增大后减小的变化规律;裂纹扩展速度曲线的振荡幅值以及频率呈降低趋势,Ⅰ型应力强度因子的变化曲线逐渐趋于平缓,且最大峰值均出现延迟现象,最大峰值所对应的时间点由t=50μs~100μs向t100μs转移;起爆距离L从50mm增大到60mm时,裂纹扩展的位移、速度曲线以及应力强度因子曲线出现显著变化;而小于50mm或大于60mm时,它们分别呈相似性变化。研究结果可为现场试验确定邻近隧洞爆破开挖的距离L提供参考。     

点火位置对泄爆空间甲烷-空气爆炸荷载的影响

在12 m3密闭空间内开展了甲烷-空气预混气体（甲烷体积分数为9.5%）的爆炸试验研究,改变点火位置,分析有泄爆口时点火位置对甲烷-空气爆炸超压和火焰形态的影响。结果表明:点火位置对Δp₁的升压速度基本没有影响,Δp₂的峰值随着点火位置远离泄爆口而增大,Δp₄的峰值与点火位置的关系为:中心点火最大,尾部点火次之,前端点火最小。在所有位置,Δp₁随着泄爆阈值的增大而增大,且增量相同;Δp₂在前端点火和中心点火时随泄爆阈值的增加而消失,仅在尾部点火时出现;Δp₄只有在中心点火时随泄爆阈值的增加而增加。外部火焰发展过程可以分为火球阶段和火焰喷射阶段,尾部点火和中心点火的火球大小及火焰喷射长度远大于前端点火。     

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_v)下的系列燃爆实验,重点研究了p_v对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明：管道内的火焰传播行为受p_v影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_b、p_out、p_ext),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_b为最大压力峰值。管道内部最大超压随着p_v升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_v的影响。管道外部火焰传播行为与p_v有关,但不同p_v下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_v之间呈现非单调变化规律。