不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率研究

不耦合装药爆破可有效降低孔壁峰值压力,改善爆破效果。针对不同耦合介质爆破时爆炸能量的传递问题,考虑岩体应变率效应,理论分析了爆炸作用下岩体变形及破坏特征,得到不同耦合介质爆破时理论爆炸能量的传递效率,并结合数值模拟研究了岩体性质、炸药类别及不耦合装药系数对不同耦合介质爆破时爆炸能量传递效率差异的影响。研究结果表明,爆炸能量传递效率与耦合介质相关,装药结构相同时,水耦合爆破比空气耦合爆破爆炸能量传递效率高;不同耦合介质爆破爆炸能量传递效率的差异受爆破岩体、炸药性质及不耦合装药系数等因素影响;装药系数相同耦合介质不同的爆破,岩体强度越高,不同耦合介质爆炸能量传递效率差别越大;岩体性质相同时,不同耦合介质爆破间能量传递效率差异随不耦合装药系数的增大而增大,对于乳化炸药在粉砂岩中的爆破,不耦合装药系数由1.28增至3.44时,水耦合爆破传递入周围岩体的能量由空气耦合爆破的1.45倍增至6.52倍。研究结果可对优化爆破设计、改善爆炸能量分布提供参考。     

分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律

为探究分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律,采用数字图像相关分析方法与电子计算机断层扫描实验方法,分析了孔内分段装药爆炸全场应变传播规律,建立了爆后“岩石—爆炸裂隙”的三维重构模型,描述了爆炸裂纹位置与形态的空间分布情况,得到岩石材料爆炸裂隙的分形维数与损伤度。研究结果表明：分段装药改变了连续装药对介质的全场应变形态,由一次应变改变为两次应变,在满足第一段炸药对介质的破坏作用下,同时加大了第二段炸药对介质的作用效应;上分段装药占比0.4时,下分段介质受爆炸作用应变峰值更大,更好满足工程实践中下半段岩体对爆炸能量的需求;相同装药系数下,连续装药结构爆炸裂纹没有贯穿试件整体,炮孔封堵段的爆炸裂纹较少,分段装药结构下,由于提高了炸药的位置,使得上部分岩体能够更好地利用炸药爆炸的能量破碎岩石;分段装药岩石整体损伤度较连续装药提高了23.5%,其中上分段岩石损伤差异较大,分段装药上分段损伤度比连续装药提高46.4%。     

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型,并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm,炸药量为2.2 g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深（50～250 mm）,每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10～200 mm,相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度,并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”,即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低;与之类似,随着爆距的增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。     

岩体加固抗爆炸性能

为进一步提升岩体的抗爆炸性能，采用相似模型实验和数值模拟的方法对采用交叉锚索进行加固的围岩进行了抗爆性能分析，对比分析了加固前后岩体的爆炸压力分布规律、应变分布规律、爆腔大小以及锚索参数对加固效果的影响。研究结果表明:无论岩体是否加固，爆心附近岩体内爆炸压力峰值、径向应变峰值、环向应变峰值与比例距离均呈负幂指数衰减，在相同的爆炸药量作用下，随着距爆点距离的增大，压力、应变峰值迅速减小；在集团装药条件下，岩体内的爆腔不呈球形而呈上细下粗的花瓶形，且无加固岩体的爆腔高度较大；交叉锚索角度变化对介质压缩半径的影响较小；随着交叉锚索密度的增大，加固介质中自由场压缩波峰值降低约20%～35%左右，介质的破坏半径小约30%左右。该研究结果可为地下防护工程设计和围岩加固提供参考。     

大断面隧道钻爆冲击波的衰减规律

隧道开挖爆破产生的空气冲击波的破坏效应，将会对人员、机具设备与周围环境造成危害。隧道钻孔爆破冲击波的影响因素比裸露药包爆炸更多、更复杂，研究其衰减规律对采取合适的防护措施意义重大。本文中开展了时速350 km双线铁路大断面隧道钻孔爆破空气冲击波的现场测试，分析了不同工况下冲击波传播规律及影响因素。结果表明:钻爆冲击波超压时程曲线存在多个不同幅值的超压波峰，波峰之间具有明显微差延时的短间隔性，传播至远场未形成稳定的单一平面波，与单一药包爆炸冲击波的传播规律存在差异；钻爆冲击波超压信号由多段与微差延时相对应的子信号叠加而成，子信号数量与毫秒延期雷管段数相同，呈现出典型的时域特征；相同爆破条件下，大断面隧道钻爆时的乳化炸药冲击波转化因数小于小断面巷道工况下的；相较于总药量及最大段药量，按掏槽药量计算的超压峰值与实测超压峰值之间的相关性最强，钻爆冲击波最大超压峰值宜按掏槽段炸药TNT当量确定；隧道内大型机械设备等障碍物改变了钻爆冲击波流场的传播规律，呈现较明显的叠加放大效应。     

新材料敏化的乳化炸药爆炸特性研究

通过水下爆炸与爆破切割实验,研究了新型材料敏化的乳化炸药爆炸能量输出特性。研究结果表明,材料CMLS敏化的乳化炸药相对玻璃微球敏化的乳化炸药在爆炸威力上有了很大的提高。CMLS型乳化炸药采用的是动态敏化技术,在引爆过程中,CMLS受压分解产生气体,从而引入均匀分布的小气泡,达到了敏化的目的。它保证了初始高密度装药,并且避免了由于敏化气泡破坏而造成的半爆和拒爆现象。材料CMLS分解产生的物质是含能基团,参与乳化基质的爆轰反应,因此其总输出能量会大于现有乳化炸药的输出能量。上述结果对新型乳化炸药设计具有指导意义。     

不同耦合介质爆破裂纹动态扩展特性研究

不耦合装药结构能有效改善爆破效果。为探究不同耦合介质对爆破效果的影响，利用透射式数字激光焦散线实验系统，对有机玻璃板(polymethyl methacrylate, PMMA)试件开展水、空气、沙土3种耦合介质的不耦合爆破试验，研究不同耦合介质爆后裂纹形貌，计算裂纹分形维数，定量评价岩石破坏程度。分析裂纹扩展速度与动态应力强度因子变化规律，对比不同耦合介质下爆生裂纹的动态力学行为。结合数值模拟进行辅助分析，解释不同耦合介质对数值模拟中爆破损伤范围、孔壁压力时间曲线和岩石模型的总能量曲线的影响规律。结果表明：水耦合爆后裂纹分形维数最大，炮孔周围裂纹数量众多，主裂纹扩展长度最大，爆破效果最佳。沙土耦合爆破需要更多的能量使裂尖起裂，其动态应力强度因子最大。模拟得到的损伤云图与实验结果一致，水耦合损伤范围最大，空气耦合次之，沙土耦合损伤范围集中在炮孔周围。而孔壁压力时程曲线、能量时程曲线则验证爆破实验结果，表明水耦合爆破能更好地利用爆炸能量，提高试件的破坏效果。     

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。     

地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响

爆破振动的频谱特性对隧洞安全施工具有重要意义。采用动力有限元方法，分析了不同地应力水平条件下围岩爆破振动频率特征，通过对实测爆破振动信号的时域和频域联合分析，研究了不同频带上的振动能量分布。结果表明，爆破振动的主频及各个振动能量优势频带都有随地应力水平升高而降低的趋势，伴随爆破破岩过程而发生的地应力瞬态卸载动力效应是产生这一现象的主要原因。地应力水平越高，爆破振动信号中20～100 Hz的低频振动能量比重越大。当爆区的地应力为20 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的35%左右；当爆区的地应力为30～50 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的50%以上。除地应力水平外，应力卸载速率及岩体的力学特性也对爆破振动主频具有显著影响，卸载速率越高，低频振动能量比重越大。卸载速率取决于掏槽爆破方式，直孔掏槽导致岩体应变能释放速率最高。岩体弹性模量越大，爆破振动的主频越高。     

混凝土介质中空气间隔装药的爆破机理

基于LS-DYNA非线性有限元程序,采用JHC混凝土损伤演化模型,研究了不同装药结构及不同 空气比情况下炮孔近区混凝土损伤的破坏机理。3种装药结构计算结果表明:随着空气比的增加,破坏方式 由压剪破坏转变为拉伸破坏,不同的空气比可应用于不同的爆破目的;对于梯段爆破,空气层位于上部的装药 结构爆炸能量利用率最好,当空气比为40%时,炮孔中部混凝土单元破坏方式由压剪转为拉伸破坏,表明存 在一个合理的空气比,可以提高爆炸能量利用率;对于预裂、光面爆破,空气层位于中部的装药结构爆破效果 最优;起爆方式对梯段爆破效果的影响要比预裂和光面爆破效果明显。     

混凝土板爆破作用数值分析

混凝土板是爆破拆除经常遇到的爆破对象，是建筑物的基本构件．爆炸应力波峰值随距离衰减是工程爆破参数设计的理论依据之一．通过数值计算，研究爆炸应力波峰值随距离的衰减规律．研究结果表明，与无限混凝土介质相比，爆炸应力波峰值在混凝土板中衰减较快．应力波峰值的衰减指数随装药量增大而减小，衰减指数的变化率也随装药量的增大而减小．     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

断裂控制爆破开采石材机理的研究

本文通过不耦合装药爆炸后形成的动应力场和准静态应力场的理论及有限单元法计算,对断裂控制爆破开采石材的机理进行了分析研究,并做了实验验证。结果表明:当选用合适的炸药并采用一定形式的不耦合装药时,炸药爆炸形成的冲击波对周围岩石不发生破坏,同时依靠炸药爆炸后形成的准静态高压气体,可使岩石沿孔间连线方向形成整齐的断裂面,运用这种机理可成功地在开采石材中归纳总结出爆破参数,推动我国石材工业的发展。     

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。     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应

为研究浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应,提出了一套新型试验工装,通过浅埋砂爆试验,系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播、爆炸产物与砂土的喷射轨迹、靶板的变形形貌以及爆炸载荷的空间分布情况。结果表明:浅埋爆炸在空气中产生冲击波,其传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度;起爆后的爆炸产物与砂土迅速向外喷射,体积随时间不断膨胀,撞击到靶板后向四周扩散;通过特 殊设计的试验工装与靶板,定性得出浅埋砂爆载荷产生的冲量在空间中呈非均匀分布,即中间最大,向四周逐渐减小。对比分析2次不同试验,发现炸药埋深影响爆炸产物和砂土喷射时的相对位置:埋深较小时,爆炸产物会冲破覆盖的砂层,直接作用到靶板;埋深较大时,爆炸产物基本被砂层包覆,随砂土共同作用到靶板;此外,增大炸药埋深会延缓爆炸产物与砂土的喷射时间。砂土的类型直接影响靶板的变形形貌,按北约标准AEP-55配做的砂土不仅使靶板产生整体弯曲变形,还在靶板上形成大量凹坑,产生侵彻效果,而普通的河砂仅使靶板产生整体弯曲变形,无明显的侵彻效果。     

不同装药战斗部壳体对水中兵器的爆炸威力

通过对裸炸药和带壳战斗部在无限水域中水下爆炸的实验研究,对比分析了炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能、总比能量及相对比总能量等爆炸特性参数。结果表明:不同装药爆炸后峰值压力从大到小分别是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT,其他对比参数从大到小分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT;带壳战斗部爆炸后比冲击波能、比气泡能、总比能量相对裸炸药均有不同程度的下降,其中总比能量分别比裸炸药减少25%、21%、15%和15%;战斗部壳体对水中兵器爆炸的比冲击波能、比气泡能及总比能量的影响较为显著。因此,研究水中兵器爆炸威力必须考虑战斗部壳体因素,不能简化。研究成果对于战斗部水下爆炸威力考核有一定的借鉴意义。