岩石爆破作用的分形研究

应用分形理论，研究了岩石（体）性质对爆炸应力波传播的影响，分析了正交异性岩石（体）内的爆破作用及破裂效果。将岩石（体）内的缺陷（空隙）作为一种损伤，由其分形维数推导出空隙率与爆炸应力波峰值随距离衰减的关系，空隙率作为岩石（体）的一个重要参数，直接影响岩石（体）的力学和变形性质，将这一参数引入爆炸应力波峰值随距离的衰减，较好地体现了岩石（体）力学和变形性质在爆破载荷中的作用。本文还对正交异性岩石（体）两个方向的爆炸应力波衰减进行了比较，给出两个特征方向炮孔合理间距的定量关系，为工程爆破参数设计提供了依据     

不同胞孔泡沫铝对爆炸冲击波的衰减研究

运用LS_DYNA对三种不同胞孔形状的泡沫铝在爆炸载荷作用下冲击波的衰减规律进行数值模拟研究,得到了不同位置的应力波形曲线,表明冲击波应力随传播距离的增加,应力波峰值迅速衰减,且应力峰值随传播距离呈指数规律变化,但闭孔泡沫铝衰减冲击波性能要优于开孔泡沫铝,爆炸冲击波的传播速度随时间增加呈线性衰减。     

砂质黏土中不同深度爆炸自由场地冲击参数预计方法研究

 根据爆炸地冲击试验的主要影响因素,运用量纲分析方法推导出爆炸地冲击参数的经验表达式。由砂质黏土中不同深度爆炸地冲击试验所得的地冲击应力峰值衰减曲线可以看出,装药比例埋深变化范围为－0.2～1.0 m/kg1/3,装药比例埋深对地冲击应力峰值的大小有较大影响,但应力峰值的衰减规律是一致的,即应力峰值经验公式的衰减指数大致相同,只是衰减系数随装药比例埋深的增加而增大。当装药比例埋深达到0.80 m/kg1/3以后,地冲击应力峰值衰减曲线之间的间距已经很小,这说明装药到此比例埋深以后装药比例埋深对爆炸地冲击参数的影响不再明显。在上述砂质黏土中不同深度爆炸自由场地冲击衰减规律的基础上,以“等效当量埋深系数”定义同一介质在相同比例距离上产生相同地冲击强度的2种不同深度爆炸装药量之间的关系,并运用此系数给出砂质黏土中不同深度爆炸自由场地冲击参数的预计方法,为地下工程抗爆研究与结构设计提供荷载依据。     

不同装药形式混凝土自由场应力波衰减规律的数值分析

采用LS-DYNA软件,根据试验结果,模拟条形装药接触爆炸下混凝土自由场的应力波衰减规律,得到各种材料模型参数,并给出三种不同装药形式混凝土中应力峰值与加速度峰值随距离变化的衰减规律。根据曲线拟和,得到其应力峰值与加速度峰值的衰减指数。计算结果表明,条形和柱形装药形式对应力波衰减特性影响不大,而球形装药形式影响较大。     

粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律

 利用轻气炮平板碰撞试验, 对新加坡Bukit Timah 花岗岩试样进行冲击压缩试验研究, 根据实验数据研究了应力波的传播, 用四次多项式表示了应力波峰值随传播距离的衰减规律, 讨论了应力波峰值的衰减率η和不同应力范围的衰减指数α。     

爆炸波信号识别及其动力学过程的实验研究

通过测试到的不耦合装药加载条件下混凝土中产生的径向爆炸波信号分析,识别和分离了信号中的爆炸冲击波、应力波及爆生气体膨胀作用,并就各自作用时间、大小、衰减规律及爆后损伤开展了定量研究。结果表明:在同一测点处同时受到爆炸冲击波、应力波及爆生气体的共同作用,作用时间分别为3.5,3.3和16.6μs;爆炸冲击波表现为压应力,峰值在1000 MPa以上;应力波表现为拉压作用,爆生气体膨胀表现为持续的拉应力或压应力的准静态作用。爆炸冲击波应力峰值随距离呈非线性快速衰减,应力波和爆生气体作用正负应力峰值随距离衰减缓慢,混凝土中爆炸波作用分区与凝聚炸药爆轰结构的压力分布有关。爆后混凝土的损伤实验表明:爆炸除形成了通自由面的7条裂纹外,在炮孔周围形成了半径为12.5 cm的损伤区,且损伤阈值Dcri=0.2,与理论计算一致。     

地下采场爆破炮孔堵塞效应及长度研究

为研究不同炮孔堵塞长度对采场爆破设计的影响,通过分析采场爆破炮孔堵塞效应,提出确定炮孔堵塞长度的条件;并对炮孔堵塞物的运动进行理论分析,结合所提出的条件推导出确定炮孔堵塞长度取值范围的函数模型,再将某工程实例相关参数代入函数模型,其中孔径120 mm,乳化炸药药条直径100 mm,采用连续装药,计算出孔底堵塞取值范围为l_w=0.7~1.3 m,孔口堵塞取值范围为l_h=0.9~1.6 m。同时利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立4种不同装药结构的双孔起爆模型对炮孔堵塞长度的装药方案进行对比分析,得到在一定堵塞长度范围内漏斗深度与堵塞长度成正比;并对关键位置上单元的有效应力峰值进行分析得到本文模拟条件下采场爆破最佳堵塞长度为孔口1.6 m,孔底1.1 m,与数值计算结果基本一致。     

重复爆炸条件下地冲击效应试验研究

 为探索常规武器重复打击下岩石介质中压力波及正压作用时间随传播距离的增加而衰减的规律，进行岩石介质中不同比例装药和比例距离的一次钻孔爆炸和重复钻孔爆炸试验。试验结果表明：在相同试验条件下，相同测点处一次钻孔爆炸所产生的峰值压力和正压作用时间要小于二次钻孔爆炸，其衰减速度要低于二次钻孔爆炸，但其衰减趋势均符合岩石介质中压力波衰减规律。对试验结果进行分析，给出峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而衰减的关系曲线，并拟合得出相应的经验公式，揭示峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而呈指数衰减的规律。     

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

 采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数，利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程，并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系，由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程，分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征，并与相关理论公式进行比较，得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明，爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减；岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加；拉应力随药量的增长幅度远比压应力小；单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。     

超前深孔顶板爆破防治冲击地压原理分析及实践研究

通过对超前深孔顶板爆破过程及影响因素的分析,揭示其防治冲击地压的机制。采用 ADINA 软件模拟研究三孔扇形布置条件下炮孔夹角及装药段长度变化对其防冲效果的影响,并从应力场、能量场2个不同的角度对其现场防冲效果进行检验。研究表明,在炮孔深度一定的前提下,三孔扇形布置的超前深孔顶板爆破可有效降低工作面超前高应力区的峰值并使其向煤体深部转移,使煤岩整体结构处于相对稳定的低势能状态,其爆破防冲效果随炮孔夹角的增大而增强,形成的剪应力降低区随装药段长度的增加而增大。     

基于断层带瓦斯突出的巷道冲击波对围岩的三维动力效应

 为了探索断层带瓦斯突出对巷道围岩的三维动力效应问题,基于峰值超压和速度方程等波动基本理论,结合大平煤矿10.20瓦斯突出事故,应用LS-DYNA与LS-PrePost有限元软件,对冲击波传播特征以及巷道围岩的破坏规律进行了数值模拟。研究结果表明：(1) 沿巷道轴向,在扇形冲击波前锋与巷道顶板交界部位,岩体冲击质点的动力响应最为明显,速度峰值可达到78.015 cm/s,构成巷道围岩最大破坏区;最大破坏区前方为冲击波作用的盲区,岩体动力响应比较弱,本案例盲区长度约为2.1 m;最大破坏区后方为冲击波作用的衰减区。衰减区内围岩仍有侵蚀现象,本案例侵蚀区极限长达280 m;(2) 在巷道横向剖面上,冲击波对巷道侧壁的侵蚀相对较轻。距离掌子面120 m以内的范围内,顶板节点的速度和位移峰值均比侧壁节点的相应值高2～4倍;而120 m以外,顶板和侧壁的速度与位移值逐渐趋于相同。(3) 当岩体较为软弱时,其冲击质点振幅较大。当岩体弹性模量减小到0.05 GPa时,振幅已增加到64.776 mm,巷道破坏效应也相应增大。而硬岩中的冲击波衰减较慢,容易诱发地(矿)震。     

Blast-induced rock damage control in Fangchenggang nuclear power station,China

In the process of blasting excavation, stress wave propagation and gas expansion can basically induce damage to surrounding rocks, which is detrimental to rock mass integrity and engineering safety. In this case, evaluation and control of blast-induced effects are essential to the safety of nearby buildings and integrity of bedrock in blasting field. In Fangchenggang nuclear power station of China, the drill-and-blast method was employed for bedrock excavation. In order to reduce the blast-induced damage zone, the wave propagation and associated damage to rock mass should be carefully investigated. In this paper, the wave propagation regressively obtained from field monitoring data was presented based on empirical formula (e.g. Sadovsky formula). The relationship between the peak particle velocity (PPV) at a distance of 30 m away from the charge hole and charge per delay in blast design was derived. Meanwhile, the acoustic tests before and after blasting were conducted to determine the damage depth of rock mass. The charge per delay in blast design was then calibrated based on the blast-induced wave propagation regularity. The results showed that a satisfactory effect was achieved on blast-induced damage control of rock mass. This could be helpful to rock damage control in similar blasting projects.     

基于神经网络的爆破振动速度峰值预报

 以广东岭澳核电站二期工程20 m平台和核岛爆破开挖为实例，运用人工神经网络原理，以孔径、孔深、孔距、排距、最小抵抗线、最大单孔药量、最大段药量、堵塞长度、总药量、高程差和爆源距作为影响爆破振动速度的主要因素，建立BP神经网络模型，对质点爆破振动速度峰值进行预测。分析结果表明，运用提出的神经网络预测模型精确度明显高于传统的萨道夫斯基公式。     

重复爆炸条件下地冲击效应试验研究

为探索常规武器重复打击下岩石介质中压力波及正压作用时间随传播距离的增加而衰减的规律,进行岩石介质中不同比例装药和比例距离的一次钻孔爆炸和重复钻孔爆炸试验。试验结果表明：在相同试验条件下,相同测点处一次钻孔爆炸所产生的峰值压力和正压作用时间要小于二次钻孔爆炸,其衰减速度要低于二次钻孔爆炸,但其衰减趋势均符合岩石介质中压力波衰减规律。对试验结果进行分析,给出峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而衰减的关系曲线,并拟合得出相应的经验公式,揭示峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而呈指数衰减的规律。     

某煤矿岩巷不同爆破方式振动特性研究

通过对煤矿坚硬岩石巷道爆破振动监测,基于萨道夫斯基公式,回归得到巷道掘进爆破和深孔松动爆破振动速度衰减规律,并采用小波包变换和HHT变换对两种爆破方式的地震波能量分布特征进行了对比分析。研究结果表明:在试验煤矿深部地层中,采用浅孔和分散装药的巷道掘进爆破地震波主振频率高,主要集中在150~250 Hz;集中装药的深孔松动爆破地震波主振频率低,集中在40~80 Hz;硬岩中巷道掘进爆破振动速度衰减规律符合软岩特征,而深孔松动爆破与硬岩一致,深孔爆破试验起爆药量没有超出允许单段最大装药量;低频区爆破地震波能量少,巷道掘进爆破地震波能量主要集中在128~277 Hz,深孔松动爆破地震波能量主要集中在32~64 Hz;深孔松动爆破地震波主振频率峰值能量大,是巷道掘进爆破的320倍。     

起爆方式对条形药包爆炸应力场的影响分析

爆炸应力场分析是条形药包爆破作用机理研究的一个基本问题。爆轰波沿装药轴线方向的传播是影响条形药包爆炸应力场特征的重要因素。综合采用Starfield 迭加法与动力有限元法,建立条形药包爆炸应力场数值分析模型。该模型利用Starfield 迭加原理实现爆轰波沿装药轴线的传播,并采用动力有限元方法分析条形药包爆炸在介质中激发的应力场。结果表明:起爆点数量与起爆点位置对条形药包爆炸应力场有重要影响;在实际工程中,合理安排起爆点的数量及位置、缩小条形药包完成爆轰的时间有利于改善爆破效果。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究

通过对超前深孔顶板爆破防冲机理及影响因素进行分析,以典型的冲击危险矿井为背景,在对顶板强度及爆破参数现场实测的基础上,模拟分析不同爆破参数(爆孔夹角、装药段长度)下的超前深孔顶板爆破效果,并采用多种监测手段对其现场防冲效果进行检验。研究发现,在爆孔深度一定的前提下,相同的爆孔角度,随着装药量的增加,超前深孔顶板爆破的影响范围也随之增大,巷帮煤体内的高应力区范围及峰值应力梯度下降越明显。在相同装药量前提下,通过调整爆破角度下,可使巷帮的高应力向深部转移甚至消失,对深部煤炭的安全开采具有重要的意义。