切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究

 利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,对不同装药结构爆破爆生裂纹动态断裂效应进行分析,研究切缝药包的定向断裂控制爆破机制,比较爆生主裂纹和次裂纹动态能量释放率的差异。结果表明：不耦合系数?1= 1.67时,切缝药包爆破效果最理想;爆生主裂纹的扩展速度、动态应力强度因子随时间总体呈振荡下降的趋势,在扩展过程的中后期达到一个较小的峰值;橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,传能效果良好;次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于2条主裂纹。     

起爆时差对孔间裂纹扩展影响的动焦散实验研究

为了研究起爆时差对孔间裂纹扩展的影响,采用动态焦散线实验的方法,研究含缺陷介质相邻切槽炮孔被采用同时起爆和微差起爆时孔间爆生裂纹的扩展和贯通机制。研究结果表明:(1)在定向断裂控制爆破过程中,其他参数相同时,同时起爆的爆生裂纹成壁质量比微差起爆的质量好。因此,在岩体的定向开挖工程中,可采用同时起爆的方法来提高定向断裂控制爆破的效果。(2)爆炸应力波中的P波前缘压缩波与爆生运动裂纹相互作用降低了爆生运动裂纹的扩展速度和爆生裂纹尖端应力强度因子的值。实验研究结果对于定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义和参考价值。     

煤层深孔聚能爆破控制孔作用机制研究

为研究聚能爆破载荷下控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,通过理论分析与数值模拟,探讨控制孔对爆炸应力波传播特性、爆生主裂隙扩展规律、煤体单元的应力状态及其位移特征的影响。结果表明,聚能爆破过程中压缩应力波在控制孔处的反射迭加作用显著改变了孔壁周围和爆生主裂隙尖端的应力场,主导了爆生主裂隙的定向扩展和孔壁周围环向裂隙的形成;控制孔提供的位移补偿空间及孔壁的曲面特性增强了孔壁及周围煤质点的切向拉伸应力,促进了孔壁周围径向裂隙的发育与扩展;控制孔促使爆生主裂隙定向扩展与控制孔孔壁周围的径向裂隙和环向裂隙相互交织成一个庞大裂隙网。同时,开展煤层深孔聚能爆破现场试验,研究了有、无控制孔对煤层增透效果的影响,试验结果表明,控制孔能够大幅度提高煤层聚能爆破增透效果,前、后期试验有控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅分别是无控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅的1.78和2.48倍。     

初始静态压应力场中爆生裂纹的扩展行为

深部岩体爆破致裂是初始静态应力场和爆炸动态载荷双重叠加作用结果,爆生裂纹的扩展路径、行为特征等受初始静态应力场的影响。采用数字激光焦散线试验系统,进行了静态竖向载荷分别为0,2,4 MPa 3种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律试验,对比分析了裂纹的运动学和力学行为。试验结果表明:随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的扩展方向逐渐向主应力方向偏转,且爆生主裂纹的扩展总时间逐渐减小,试件的Ⅱ型破坏愈加显著;随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的最大偏转角度也明显随之增大,初始压应力p是爆生主裂纹产生垂直预制裂纹方向速度的动因。研究结果揭示了爆生裂纹扩展行为与初始静态应力场的关系,丰富了深部岩体爆破破坏理论。     

切槽孔爆炸载荷下裂纹扩展行为的实验研究EI北大核心CSCD

为了研究切槽孔爆炸载荷下扩展裂纹和空孔相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。研究结果表明:(1)单炮孔爆炸载荷下,切槽孔爆生主裂纹扩展轨迹平直,直接与空孔相互贯通,空孔导向效应明显。爆生主裂纹表现为I型模式。(2)双炮孔同时爆破过程中,切槽孔爆生主裂纹由于受空孔和相对扩展裂纹的影响,扩展轨迹较弯曲,空孔处产生的2条翼裂纹分别与爆生主裂纹贯通。(3)P波前缘压应力波与爆生主裂纹相互作用时,爆生主裂纹扩展速度和动态应力强度因子呈现减小变化的趋势。实验研究结果对于岩体定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义。     

切槽孔爆炸载荷下裂纹扩展行为的实验研究

为了研究切槽孔爆炸载荷下扩展裂纹和空孔相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。研究结果表明:(1)单炮孔爆炸载荷下,切槽孔爆生主裂纹扩展轨迹平直,直接与空孔相互贯通,空孔导向效应明显。爆生主裂纹表现为I型模式。(2)双炮孔同时爆破过程中,切槽孔爆生主裂纹由于受空孔和相对扩展裂纹的影响,扩展轨迹较弯曲,空孔处产生的2条翼裂纹分别与爆生主裂纹贯通。(3)P波前缘压应力波与爆生主裂纹相互作用时,爆生主裂纹扩展速度和动态应力强度因子呈现减小变化的趋势。实验研究结果对于岩体定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义。     

高应力状态下穿过层理爆破致裂的动态行为研究

为了研究高应力状态下炮孔穿过层理爆破的裂纹起裂、扩展等动态力学行为,结合动态焦散线方法,采用数字激光动态焦散线实验系统,开展实验室模型实验。结果表明:炮孔穿过层理爆破时,爆生气体能量难以得到有效利用,炮孔周边岩石的破碎效果不甚理想。爆炸应力波对层理端部裂纹的起裂和扩展前期的动力学行为起主导作用,静态应力则对裂纹扩展后期的行为特征产生主要影响。层理走向与静态应力方向之间的夹角对试件的破坏形态和爆生主裂纹的动态应力强度因子、扩展速度等具有明显影响。此外,随着该夹角的增加,爆生主裂纹的扩展时间和沿层理位移均减小,最大偏转角度增大,扩展路径更加曲折。     

构造带内巷道定向聚能爆破掘进围岩损伤特征试验研究

为了解决传统的钻眼爆破掘进巷道法在围岩中形成的裂纹无序扩展,遇到构造带时极易诱发动力灾害的现实问题,开展构造煤岩层内巷道掘进定向聚能爆破破岩技术研究。根据聚能爆破的空穴效应和能量转移原理,建立聚能爆破的岩石断裂力学模型,将聚能爆破与普通爆破的裂纹起裂及扩展规律进行对比分析,得出聚能爆破与普通爆破形成的粉碎区以及应力峰值的倍数关系。搭建可模拟地应力与瓦斯压力的爆破试验平台,通过普通爆破和聚能爆破的相似模拟对比试验发现,聚能爆破在聚能方向上形成的粉碎区是普通爆破同方向的0.838倍,应力峰值是普通爆破的1.58倍,爆生气体的静力学作用时间对比普通爆破,在聚能方向上延长了300μs,非聚能方向上缩短了250μs。同时,进行聚能爆破掘进的现场应用,巷道周边眼采用聚能装药后,超欠挖率减少了近50%。研究表明,聚能爆破使聚能方向的裂纹扩展范围增大,非聚能方向的裂纹扩展范围减小,运用于掘进构造带中的巷道时能够提高爆破效率,降低对支护围岩体和构造煤体的损伤破坏程度,抑制由爆破掘进诱发的瓦斯动力灾害事故。     

节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散 试验研究

为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制,采用有机玻璃模型,用切缝药包形成初始裂纹,进行爆炸加载下透射式动焦散试验.试验结果表明:2种节理对裂纹扩展影响都很大,初始裂纹都没穿过节理,但在节理两端产生翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展;在张开型节理试验中,切缝药包爆炸后25 μs时节理两端出现焦散斑,2条翼裂纹最长只有2.5 cm;闭合型节理则在1 μs时产生焦散斑,比张开型产生的时间早了24 μs,翼裂纹最长达5.6 cm.2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由小变大再变小振荡变化的趋势,初始阶段动态应力强度因子低于,闭合型应力强度因子峰值为1.72 MN/m3/2,大于张开型峰值1.28 MN/m3/2.研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据.     

含缺陷PMMA介质的定向断裂控制爆破试验研究

 以PMMA为试验材料,采用新型数字激光动态焦散线方法试验系统,从试验角度将裂纹缺陷和空孔缺陷纳入同一研究体系,进一步研究缺陷对定向断裂控制爆破裂纹扩展的影响。结果表明,缺陷形态对爆生主裂纹扩展长度的影响并不明显。爆生主裂纹的扩展分为2个阶段,I阶段(0～120 μs)：爆生主裂纹的扩展速度和尖端动态应力强度因子均迅速减小;II阶段(120 μs～止裂)：从缺陷处反射的应力波对裂纹尖端的作用效应逐渐明显,加强了裂纹尖端的能量积聚和应力集中,使得速度和动态应力强度因子均有较大程度的跃升;随着试件缺陷两侧曲率的增加,II阶段的爆生主裂纹速度峰值和动态应力强度因子峰值均逐渐减小。     

不同装药模式爆破载荷作用下煤层裂隙扩展特征试验研究

 为了研究炸药在不同煤岩介质中爆破所产生的裂隙扩展和力学特征,提高深孔预裂爆破对低透气性煤层进行增透的效果,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计穿层钻孔和顺层钻孔2种不同的装药模式,以Froude 比例法建立煤层深孔预裂爆破的试验模型,利用相似材料配比加工制备尺寸为50 cm×50 cm×50 cm的试样进行爆破模拟试验。通过超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性。研究发现,裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的,裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直;在煤岩介质中实施穿层钻孔爆破的爆破效果优于顺层钻孔煤层爆破效果,当爆破应力波从煤层入射到岩层后,出现反射拉伸波,反作用于煤体上,加剧煤岩不同爆破介质的破坏程度,促使爆破裂隙的扩展。研究成果可用于指导井下低透气性煤层深孔预裂爆破装药方式的选择,以提高瓦斯抽采效率。     

深孔松动爆破防治煤与瓦斯突出的技术研究

为增加煤体的裂隙长度和范围,提高煤体的透气性,对煤体中进行的深孔松动控制爆破的成缝和防突机理以及爆破参数选择进行了分析研究,研究结果表明：深孔松动控制爆破能有效地增加围岩的松动区范围,增强岩体的透气性,对工作面前方煤体的泄压和瓦斯逸出具有良好的效果。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

装药不耦合系数对爆破裂纹控制的试验研究

在控制爆破中，为使炮孔周围产生的较密集的径向裂纹减少，使需要扩展的裂纹得到充分扩展，主要措施就是降低爆炸应力波作用，增加爆生气体的作用时间，即采取不耦合装药，本文从理论上分析装药不耦合系数Kd与爆破作用的关系，并在实验室和现场进行了部分试验，得出了不耦合系数为1．67时的爆破裂纹长度最长的结论。同时，随着不耦合系数的增加，裂纹数目也不断减少。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。