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.     

基于聚能射流的岩石定向劈裂机制

基于岩石材料脆性断裂模型分析,从提高炸药能量向岩石断裂表面能转换效率的角度,提出采用预切槽和多点聚能射流冲击岩石进行裂纹引导与扩展,实现岩石定向劈裂。设计了一种可用于岩石劈裂的聚能装药,利用数值计算方法研究了岩石类脆性材料在聚能射流冲击作用下的定向劈裂机制,并计算比较了不同形状金属杆射流对岩体的冲击劈裂效果。分析计算该聚能装药射流形成与岩石的侵彻断裂过程,得出用于岩石劈裂的最佳聚能装药结构与炸高。实验成功用2枚聚能装药将岩石试块按预制方向劈裂,测试获得的岩石表面应力峰值约0.5～0.8 MPa。结果表明,采用该聚能装药在25 mm炸高下能够形成长径比约1∶3的楔形金属杆射流,沿着控界面预先设计的切槽方向,多点设置聚能装药,同时起爆后形成楔形金属杆射流冲击岩石,产生了较好的定向劈裂效果。该方法将爆炸能量精准导入控界面并有效地转换成岩石断裂表面能,从而提升了岩石定向劈裂的效果及炸药的能量利用率,研究结果可为大范围岩体开挖精确控界爆破切割装置设计及降低工程爆破危害提供参考。     

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。     

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。     

加载速率对岩石断裂韧度的影响

在探讨爆炸应力波作用下岩石的破坏特性时,需要用岩石的动态断裂韧度来表征岩石在波动过程中的裂纹发生和发展,即当岩石的微裂纹或缺陷受到了达到或超过其临界值的应力波作用时,便产生宏观的裂纹并随后逐渐发展,导致动态破裂。同时岩石动态断裂韧度是岩石动力学的基本力学指标之一,它也是光面爆破和控制爆破的理论研究和工程设计的主要参数。因而,确定岩石动态断裂韧度具有重要的意义。     

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...     

水下定向爆破方法及计算

水下定向爆破可以通过减少抛掷方向的介质密度、形成定向坑,利用定向聚能药包及延期爆破等方法实现。 本文介绍了各种实用水下定向爆破方法及其计算。     

岩石双孔爆破过程的流形元法模拟

在流形元基本理论基础上,引入断裂力学的裂纹产生及扩展判据,应用二阶流形元对岩石双孔爆破过程进行了研究,模拟了双孔同时起爆和毫秒延时起爆两种条件下裂纹的产生和扩展、块体的形成以及漏斗形成过程,分析了爆炸载荷作用下岩石的破坏规律以及起爆条件对该过程的影响,验证了流形元法在研究冲击载荷作用下岩石从连续体到不连续体破坏过程的准确性和有效性,为研究类似问题提供一个新的思路和方法。     

聚能药包爆炸切割原理及其试验研究

本文将聚能装药结构的爆炸聚能原理应用于石材矿山的切割开采之中,首先分析了聚能药包爆炸作用对石材的切割原理,其中,着重研究了炮孔壁上的聚能开裂和裂缝扩展以及贯通的物理过程,推导了裂缝形成过程中各个阶段的力学条件;然后,将聚能切割原理应用于大理石的切割爆破之中,并对现场切割爆破效果和影响聚能效应的因素进行了分析讨论,试验研究表明,文中所得的结论与现场试验的结果相吻合。     

爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度

为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响,通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导,分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率;通过水泥砂浆物理模型试验,研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律;采用LS-DYNA数值模拟软件,建立不同聚能张开角数值模型,揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时,炸药产生聚能效应的有效利用率最大;聚能结构药包聚能槽张开角为75°时,预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包,沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳,炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验,板岩和白云岩两种不同岩性,在孔距增大20%的条件下,双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。     

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。     

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%。     

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。     

准静态压力作用下岩体爆破成缝方向与机理的研究

本文在讨论了现有的爆破成缝理论以后,首先将岩体在爆生气体作用下的成缝过程分为开裂、扩展和止裂三个阶段,建立了这三个阶段的力学模型。然后,着重分析了爆破成缝方向和机理,提出了相应的断裂判据。最后,结合在大理石试块上进行的爆破成缝试验,通过计算分析,验证了本文提出的成缝机理。     

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。     

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。     

炮孔定向断裂爆破作用

采用三维激光全息动光弹超动态综合测试系统进行了定向断裂爆破模型试验研究。分析和讨论了定向断裂爆破动应力场参数和定向断裂爆破作用机理；优选了实用的定向断裂爆破新方法和配套工艺。经岩巷生产实践表明:所选择的切缝药包定向断裂爆破方法是可行的，它为改革现有光面爆破技术提供了良好的应用前景。