φ40mm孔径下爆炸应力波衰减特性试验研究

为了研究爆炸应力波在基岩中的传播和衰减规律,利用不同标号的混凝土代替不同等级围岩,对φ40 mm孔径下不同装药结构的工况进行爆破试验。通过制作及预埋PVDF薄膜传感器,测量6种装药结构下不同距离处的爆炸应力峰值,探究不同药量、不同岩石性质对爆炸应力波传播的影响。通过试验得到了C20、C30、C40混凝土试件在试验所涉及的范围内爆炸应力波随传播距离衰减的指数关系式。试验结果表明随着介质波阻抗的增大,该介质内部的爆炸应力波衰减系数会增大的规律,同时也验证了利用PVDF传感器测量混凝土内部的爆炸应力峰值这一方法是可行的,测试数据是可靠的,对后续不同岩土介质下的应力衰减规律研究和工程应用有一定的指导意义。     

柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟

采用Voronoi方法生成柱状节理,并在炮孔壁边界施加爆炸荷载,建立离散元数值模型模拟地下洞室光面爆破过程。通过设置不同地应力水平的工况,来研究爆破开挖过程中地应力和爆炸荷载耦合作用下柱状节理玄武岩的松动机理。结果表明:爆破开挖过程中,柱状节理面存在张开和剪切滑移两种破坏模式,并在开挖卸荷时表现出张开后再闭合的特征。准静态卸荷对围岩松动变形的影响范围小于开挖瞬态卸荷,而考虑爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作用的开挖方式下围岩松动范围最大。地应力水平越高,开挖瞬态卸荷导致的松动变形范围越大。     

空气间隔装药爆破条件下边坡振动规律研究

采用数值分析软件,结合大型矿山边坡工程,讨论了爆炸等效荷载的施加过程,分析了空气间隔装药条件下边坡爆破振动规律。计算表明:随着质点与爆源垂直距离的增加,爆破质点振动速度峰值整体上呈减小趋势,其中水平径向振动峰值比垂直振动速度峰值衰减慢;空气层位置变化对爆源近、中区质点振动峰值存在影响,而对爆破远区振动特性影响有限。通过坡面点和马道外侧点的振动速度对比分析得出:边坡台阶存在局部的爆破振动放大效应。另外,采用文中的荷载施加方案既可以明确炮孔近区岩体的破坏机理,也能将炮孔装药结构所对应的爆破荷载信息在后续模型计算中予以保留,为优化装药结构、提高爆炸能量利用率提供参考依据。     

地下洞室爆破开挖诱发围岩损伤特性及PPV阈值研究

地下洞室爆破开挖产生的围岩损伤主要由爆破荷载和地应力重分布共同作用引起。针对圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,采用LS-DYNA有限元数值模拟研究了不同地应力水平下爆破开挖诱发围岩损伤的机理及爆破损伤PPV阈值变化规律。研究表明:地应力对爆破荷载产生的张拉损伤起抑制作用,高地应力条件下,爆破荷载产生的岩体损伤仅限于围岩表层,地应力重分布引起的岩体压剪破坏是围岩中大范围损伤区形成的主要原因;爆破过程中开挖面上地应力瞬态释放所产生的附加动应力也是影响围岩损伤的重要因素,相比于准静态卸荷,地应力瞬态卸荷产生的围岩损伤范围更大;随着地应力水平的提高,岩体爆破损伤的PPV阈值呈先增大后减小的变化趋势,地下洞室爆破安全振动控制标准应考虑地应力状态的影响。     

爆破震动作用下高地应力巷道动力响应特征与稳定性研究

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性,以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景,通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型,并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作用下巷道围岩振动方程。使用数值模拟研究了巷道围岩质点峰值振动速度（Peak Particle Velocity,PPV）的衰减特征,从应力分布规律的角度对理论分析进行了补充,并根据模拟结果对巷道围岩稳定性进行了分析。结果表明：巷道围岩振动方程显示,爆炸应力波入射角度的不同会导致巷道围岩不同区域的动态响应特征存在差异。随着爆心距增大,巷道轮廓面附近围岩PPV出现波动,并在自由面处获得最大峰值振速;地应力对巷道围岩PPV具有抑制作用,地应力越大抑制作用越明显,且不同位置围岩的PPV对地应力敏感度存在差异;随着地应力增大,爆破震动作用下巷道围岩受力状态从拉剪变为压剪,最大主应力和剪切应力也随之增大。研究认为随着埋深增加,在对爆破震动作用下巷道围岩的稳定性进行评估时地应力因素不可忽略。对于潘三矿超前预裂卸压爆破工程现场而言,除了巷道的直墙外,墙角、拱墙也是危险区域,应当着重予以加...     

动载下含预制裂纹砂岩的力学特性及破裂过程研究EI北大核心CSCD

深入研究缺陷岩石的动力特性对保障深部煤矿巷道等地下硐室在掘进爆破、老顶来压等强扰动作用下的长效稳定具有重要意义。该研究基于天然裂纹长度的幂律分布假设,利用颗粒流软件建立了分离式霍普金森压杆试验系统以及含不同数量分布裂纹的砂岩试件模型,研究了在冲击荷载作用下预制分布裂纹数量对砂岩试件强度、破坏等力学特性的影响。结果显示:(1)随预制裂纹数量(number of prefabricated cracks, NPC)的增加,砂岩试件强度近似呈线性减小趋势,而弹性模量降低规律更接近三次方程,并且随着NPC的增加,试件强度、弹性模量的离散性逐渐增大,试件峰后应力的降低过程也更为复杂;(2)随着NPC的增加,试件的AE事件曲线由单峰值、高极值向多峰值、低极值转变;(3)在冲击荷载作用下,试件中新生裂纹沿应力波传播方向渐进分布,由散斑形式逐渐连通扩展为片层状,并且随着NPC的增加,试件的破坏模式由四周破坏形式转变为自左至右的渐弱破坏形式;(4)试件主要沿应力波传播方向发生破裂,并且NPC越少,倾角沿应力波传播方向的新生裂纹占比越大。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

地下工程改扩建中施工爆破对衬砌危害的三维数值模拟研究

应用LS—DYNA3D软件对某地下工程改扩建中施工爆破作业进行了三维数值模拟，分析了围岩与衬砌中爆炸应力波的传播特征，指出了原有洞室混凝土衬砌的破坏主要为施工爆破诱发的反射拉伸波使衬砌拉应力超过混凝土抗拉强度所导致拉裂破坏，且破损现象主要发生在洞室的侧墙部位，为控制衬砌破损的进一步发展，建议采用台阶法开挖，计算表明台阶法开挖能明显改善衬砌拉应力水平和质点振速。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

混凝土SHPB试验的数值模拟

利用有限元分析软件LS-DYNA对混凝土的分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击压缩过程进行了数值模拟,再现了混凝土试件在冲击试验过程中的应力波形、应力波震荡现象、应力-应变曲线以及试件的破坏过程,模拟结果与试验实测结果具有较好的类似性。模拟研究还发现:在SHPB冲击试验的过程中,混凝土试件内部应力波经历了多次来回震荡后近似稳定,混凝土试件的破坏稍微滞后于应力峰值,混凝土试件的破坏是从周边脱落开始,最后发展到试件中间。     

高地应力下砂岩隧道围岩爆破振动响应研究EI北大核心CSCD

高地应力对隧道围岩的爆破振动响应具有一定影响。本文通过波动微分方程和分离变量法结合高地应力作用下砂岩类材料参数的变化规律求得适用于高地应力下的爆破地震波传播解析解,并通过实例分析,给出了隧道围岩中质点振动速度、加速度、应变参数随地应力大小变化规律,并借助物理模型试验装置对隧道围岩爆破振动响应随地应力的变化规律进行模型试验研究,最后将试验结果与解析解进行对比。由解析解的计算结果表明,相同围岩质点速度、加速度和应变峰值均随着地应力的增大而逐渐减小,且径向的速度、加速度和应变在低地应力阶段的衰减速率要大于高地应力阶段,随地应力的增加呈现出类似于负指数下降的趋势。在模型试验中,相比于震源附近围岩的振动响应,远离震源处地应力的变化对围岩爆破振动响应影响增大。模型试验测得的结果与解析解计算的结果相吻合。研究成果对地下隧道爆破设计和振动安全预测具有重要参考价值。     

环境压力对自由场冲击波传播影响的数值模拟

为了研究环境压力对爆炸冲击波传播的影响,采用非线性有限元AUTODYN建立了TNT自由场爆炸的一维球对称楔形模型,对不同初始环境压力下的爆炸冲击波超压值和波阵面的运动规律进行了分析。结果表明:数值模拟很好地再现了自由场爆炸冲击波的传播过程;常压下的数值模拟结果与常用经典超压公式有所差异,所模拟的冲击波超压值与Henrych公式最为接近;在不同的初始环境压力下,同一测点的TNT超压值会随着环境压力的降低而降低,而波阵面的运动速度则会随着环境压力的降低而升高。当外界环境为绝对真空时,冲击波爆炸产物为介质传播,爆炸产物的传播距离与时间呈线性关系。     

不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究

利用MTS-NEW810动态试验机,通过对30根混凝土棱柱体试件施加应力幅值为1 kN到5 kN、频率为5 Hz、应变速率为10~(-4)/s的5组不同循环荷载,研究不同初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸特性的影响。研究结果表明,遭受初始损伤程度越严重,混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏断面越整齐,且破坏断面粗骨料被拉断数目越少;随着初始损伤程度的增加,混凝土棱柱体试件逐渐产生有不可恢复变形,随着损伤程度的增加,不可恢复变形的增幅明显增大;初始损伤程度对混凝土棱柱体试件动态拉伸应力应变关系曲线上升段影响较小;混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度和峰值应变均受初始损伤程度影响不大。     

工字形钢柱的爆炸作用分布特征与计算研究

为研究工字形钢柱上的爆炸荷载特征,明确在不同爆炸条件下工字形钢柱的破坏形式,通过数值计算和试验数据相结合,在三种不同爆炸类型条件下,对钢柱不同位置测点的冲击波曲线形式进行分析,并对钢柱不同翼缘的爆炸荷载水平及竖向分布形式进行总结,给出工字形钢柱上爆炸作用的确定方法。研究结果表明：当爆炸作用沿钢柱强轴时,荷载在翼缘宽度上可按均匀分布,而随近、中、远爆炸类型的变化,荷载沿钢柱竖向分别呈双曲线、梯形和矩形分布特征,而荷载峰值可按TM5-855中试验数据确定;当爆炸作用沿钢柱弱轴时,荷载在腹板上可按均匀分布,而在翼缘上呈三角形分布特征,荷载峰值可按TM5-855中试验数据值乘以相应的放大系数得到;爆炸荷载对钢柱响应形式影响显著,随着爆炸距离的增大,钢柱由局部破坏向整体破坏转变。     

爆破载荷作用下煤厚变异区损伤破坏特征实验研究

针对地质构造区域爆破施工容易诱发煤与瓦斯突出的现实情况,建立煤岩组合弹性力学模型、根据爆炸应力波在煤岩介质中的传播与作用规律,分析了煤层变厚时原岩应力的分布特征、爆炸应力波在构造煤岩体中的传播过程,并结合相似模拟实验与数值模拟研究了爆破载荷作用下煤厚变异区的损伤破坏特征。理论分析表明,薄煤层区域承受的原岩应力高于厚煤层,且应力变化梯度随煤厚减小率的增大而增大,爆炸应力波由岩体传播至构造煤体时会发生波的透射和反射现象,反射形成的拉伸波将加剧煤岩交界面岩体侧的损伤程度;爆破模拟实验中采集得到的应力曲线,煤厚变异区岩体处的测点存在着2次较大的拉应力峰值,应力波在该处相互作用形成了叠加破坏区,破坏区同时又引导其余方向的爆生裂纹向其延伸汇集,导致岩体严重破坏。数值模拟验证了爆炸应力波在煤岩交界面上的透射和反射现象,应力云图表明应力波在煤厚渐变区的叠加作用最明显且延续时间长。研究成果对于揭示爆破扰动煤厚变异区诱发煤与瓦斯突出的机制有重要指导意义。     

深部岩石爆破主裂纹扩展方向与地应力的关系EI北大核心CSCD

岩石巷道掘进爆破表明,高地应力环境下的岩石破坏与低地应力条件下或浅埋岩体下的岩石破坏有所不同。其中,地应力对爆破主裂纹的扩展方向影响较大。该研究利用一种符合硬岩力学特性的透明模型相似材料,开展双向荷载作用下透明岩石爆破相似模型试验,研究初始地应力作用下岩石爆生裂纹扩展的规律。试验结果表明:具有初始静载作用的试件,其径向主裂纹的扩展由无初始应力时的放射状转变成沿着主应力方向扩展;径向裂纹的扩展长度和数量均随侧压力系数的增加而逐渐减小;最长径向主裂纹扩展方向与最大主应力方向的夹角随着侧压力系数的增大而逐渐增大。同时,基于爆炸力学、弹性力学和应力波理论,建立可定量描述初始地应力与爆破主裂纹扩展方向关系的等式,即tan φ=σ_(x)/σ_(y)(0≤φ≤45°)。由计算式所得主裂纹扩展方向与地应力方向的夹角和物理模型试验所得基本一致,这对理解高地应力条件下岩石爆破破裂机理具有重要的现实意义。     

深埋矿体采场爆破对矿柱的损伤特性研究

千米级矿产资源在采用房柱法开采过程中,由于深部岩体“三高”赋存环境及爆破开采的“强扰动”性,导致深部矿体开采面临难以预测灾害事故,因此高应力岩体采场爆破对矿柱的损伤机理与效应研究对深部采场作业安全具有重要意义。以陈台沟铁矿深部采场爆破开挖为背景,建立采场扇形孔爆破的三维数值模型,研究不同地应力水平下采场爆破对矿柱的损伤特性,同时从理论角度借助数值模拟阐述并验证了地应力与爆破荷载相互作用的机理。结果表明：在炮孔近区(5倍炮孔半径内),围岩主要受压剪作用,在炮孔中远区(10倍～25倍炮孔半径),围岩受环向拉应力作用明显;炮孔近区的压剪应力峰值主要由爆炸荷载的贡献,受地应力影响较小,中远区的环向拉应力峰值受地应力的影响较大,且随地应力的增大而减小;在地应力水平较小时,矿柱不同区域的损伤深度在不同地应力水平下具有不同衰减趋势,在地应力水平较大(大于20～30 MPa)时,矿柱不同区域损伤深度的衰减趋至相同程度;地应力使矿柱损伤深度减小的原因在于地应力的存在减小了矿柱内的拉应力,同时通过对拉应力影响范围的估计,给出了不同埋深采场爆破时安全距离的建议值。     

软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究

针对含软弱夹层岩体爆炸应力波的传播过程,采用数值模拟的方法,探讨了软弱夹层厚度、位置及角度对爆炸应力波传播的影响规律。研究结果表明:爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射,产生的拉伸应力波使应力波能量在迎波面汇聚,加剧该部分岩体的破坏程度。随着软弱夹层厚度的增加,前方岩体拉应力峰值增长作用由近迎波面岩体向炮孔周边岩体传播,拉应力峰值增长率逐渐提高;同时,夹层阻隔作用增强,后方岩体有效应力峰值衰减加快。软弱夹层与起爆中心的间距减小使得夹层前方岩体拉应力峰值显著增长,而对夹层后方岩体的阻隔作用逐渐减弱。应力波能量主要汇聚在软弱夹层的垂直方向,致使岩体爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法线方向发展。研究成果可用于指导类似地层隧道爆破施工设计。     

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100~101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数（DIF）的变化规律。结果表明：随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。