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。     

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。     

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。

     

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。     

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%。     

不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

通过不同装药结构下立方体红砂岩小型爆破实验,分析了岩石的损伤程度和破坏模式,同时引入三参数极值分布函数量化岩石爆破块体尺寸分布特征。此外,根据岩样R1的爆破实验结果进行了有限元数值模型验证,基于验证的模型展开了岩石单孔爆破损伤破裂行为的模拟,讨论了径向、轴向不耦合系数和耦合介质对岩石破碎效果的影响。结果表明,三参数极值分布函数可以较好地表征岩石爆破后破碎块体尺寸分布特征,块体平均尺寸随着不耦合系数的减小呈线性降低趋势,且破碎块度趋于均匀。通过比较不同耦合介质装药时岩石内部的能量分布特征和破坏体积发现,水作为耦合介质时,爆炸能量的传递效率最高,其次分别是湿砂和干砂,空气的能量传递效率最低。结合等效波阻法计算的理论应力透射系数可以很好地反映不耦合装药时岩石的破碎程度。     

爆炸荷载下青砂岩动态起裂韧度的测试方法

为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法,利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc,ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆,并同步触发超动态应变仪,通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量,应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式,并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件,建立数值计算模型,通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明：（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度;（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到;（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度,其最大误差仅为7%。

     

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。     

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。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛,其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征,导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型,分析了静态应力分布及动态应力演化特征,揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正,并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外,在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征,结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素,当初始应力较大时,合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果,实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

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。     

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。     

爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理

在爆生气体作用下 ,爆破近区的裂纹在气体驱动压力下扩展 ,而爆破中区的裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力共同作用下发生的。基于岩石细观损伤断裂理论 ,认为裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到周围岩石的逐渐损伤引起的损伤区移动过程 ;建立了这两个区域的损伤断裂准则和裂纹尖端的损伤局部化模型 ,可以更好地反映爆生气体作用下裂纹扩展的实际过程。     

爆炸载荷下非透明介质断裂的焦散线实验方法

首次把焦散线实验方法应用于非透明介质在爆炸载荷作用下的断裂问题的研究.在采用DDGS-Ⅱ型多火花式高速摄影和反射式焦散线光路系统基础上,改进了镜面移植的试件加工方法,实现了较大面积的镜面移植;设计了可多角度调节的爆炸加载架,引进切槽控制爆破技术,满足了爆生裂纹穿过镜面区的要求和摄影记录测量要求.并应用该实验方法,进行了两种非透明介质(人造石和PVC)爆炸致裂的焦散线实验,得到爆生裂纹在人造石和PVC试件扩展过程中不同时刻的焦散线照片,分析了人造石试件中爆生裂纹的运动学和力学行为特征.爆炸加载反射式焦散线实验方法拓展了焦散线实验的应用范畴,为研究非透明介质的爆炸动态断裂问题提供了方法.     

炮孔水耦合装药爆破应力分布特性试验研究

以水泥砂浆试块为试验模型,采用超动态应变测试和数据采集处理系统进行空气不耦合装药和水耦合装药爆破试验,测定几种不耦合系数下炮孔周围介质中爆炸应力的分布特性。通过对试验结果分析研究表明,水耦合装药与空气不耦合装药相比爆炸峰值压力高、作用时间长,即表明水耦合装药的爆破作用强度大、能量利用率高。试验结果还进一步证明了不耦合装药能够明显降低炮孔周围介质中的压应力,且不耦合系数越大,压力降低越显著。在实际工程爆破中应根据工程要求和岩石性质及作业条件,合理选择装药结构。     

节理岩体爆生裂纹扩展动态焦散线模型实验研究

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夹角不同的情况下,裂纹尖端动态强度因子的变化规律、裂纹穿过节理面的扩展规律、以及炮孔与节理距离不同时裂纹穿过节理扩展的规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,强度因子又增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿原方向继续扩展。实验结果还表明,炮孔与节理间距适宜的情况下,裂纹才会穿过节理继续扩展,间距太小和过大都不利于裂纹的扩展。     

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%。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。

     

动、静裂纹作用偏置效应的动焦散冲击实验

为了研究冲击荷载作用下脆性材料中运动裂纹与静止裂纹的相互作用,选取动态载荷下断裂行为与岩石材料类似且本身光学特性较好的有机玻璃（PMMA）作为实验材料,试件尺寸为220 mm×50 mm×5 mm,采用激光切割制作长度5 mm的预制裂纹和长度10 mm的静止裂纹,预制裂纹位于试件的底部边缘中心,静止裂纹的中心位于试件水平轴线。将静止裂纹偏置距离作为单一变量,采用数字激光动态焦散实验系统对含不同缺陷的PMMA进行三点弯曲实验,并结合几何分形理论研究不同偏置距离下运动裂纹的分形规律。实验结果表明：存在预制裂纹与静止裂纹的临界偏置距离（6 mm）,该条件下裂纹轨迹对应的分形维数值最大,裂纹轨迹的规则程度最低,裂纹破坏形态最复杂。当预制裂纹与静止裂纹的偏置距离在0～6 mm时,裂纹Ⅰ起裂后垂直向上扩展一段距离,与静止裂纹交汇,并停滞一段时间后发生二次起裂,直至贯穿试件,偏置距离和交汇点竖向坐标值呈近似线性函数关系。偏置距离的存在不会影响裂纹Ⅰ的起裂时间和应力强度因子,但会显著减小裂纹Ⅱ的动态应力强度因子,且停滞时长随偏置距离的增大而逐渐缩短。当偏置距离大于临界偏置距离时,运动裂纹不再与静止裂纹交汇而是呈拱状向试件上边缘扩展直至贯穿,裂纹的起偏时间、起偏位置也会出现明显的滞后现象。