爆炸作用下介质损伤破坏的分形研究

根据盒维数的计算原理,提出了爆炸载荷下爆生裂纹分形维数的计算方法,并建立了分形维数与爆破损伤度之间的对应关系。利用Matlab软件编写了基于数字图像的爆生裂纹盒维数算法。利用该算法对普通药包和切缝药包两种爆破方式下爆生裂纹的分形特征进行了分析,确定了炮孔周围不同区域的损伤度。结果表明,在普通药包爆破中,随着爆生裂纹的扩展,爆破引起介质的损伤逐渐降低,在炮孔相同距离处,介质的爆破损伤度基本一致。在切缝药包爆破中,爆破介质的损伤度有区域性和方向性特征,在爆生裂纹I区,沿切缝方向产生的爆破损伤较普通药包爆破时相应区域的损伤程度略有降低,且切缝方向的损伤度下降更为显著;对于爆生裂纹II区,沿切缝方向产生的爆破损伤高于普通药包爆破时相应区域的损伤度,而非切缝方向的爆破损伤有明显下降;对于爆生裂纹III区,沿切缝方向产生的爆破损伤明显增加,相应非切缝方向产生的爆破损伤显著降低。基于分形维数的爆破损伤度计算,可用于定量评价爆生裂纹的空间分布特征,为研究岩石爆破损伤的演化规律提供了一条新的途经。     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。     

基于分形维数的三轴压缩下泥质粉砂岩力学特性研究

为研究不同应力环境下泥质巷道围岩的变形破坏特征，选取典型泥质粉砂岩岩样，开展了三轴剪切试验，获得了不同主应力加载速率和围压下泥质粉砂岩的应力应变曲线。并采用FLAC3D数值模拟软件对三轴剪切试验结果进行验证，发现增大试验机主应力加载速率以及围压均能提高岩石试件抗压强度。同时，通过收集岩样碎屑，采用“粒度-数量”分形维数研究方法，分析了岩样的破坏规律。发现主应力加载速率、围压越大，试件破坏程度越低，碎屑分形维数值就越小。以上结果表明，主应力加载速率和围压能够有效减缓岩石试件的裂纹扩展速度，减缓岩石试件损伤的发展，增强其抗压强度，同时降低试件破坏后所表现出的破碎性。     

动力冲击下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在动力冲击下的损伤规律,试验采用一种简易落锤装置,以获取动力冲击,并设计了3组试验,考虑无围压情况下冲击能量和循环冲击次数对岩石损伤规律的影响。通过对砂岩试件加载冲击,利用非金属超声检测仪检测受冲击后试件超声波波速,并根据超声波波速的变化来描述岩石的损伤度。     

模拟深水条件下的爆破块度分布研究

利用爆炸容器模拟深水条件，以8号雷管作为爆源进行了水泥砂浆试件爆破试验，收集爆破碎块进行统计，根据分形理论计算了爆破块在不同模拟水深条件下的分形维数。     

不同围压下页岩残余强度及破裂面特征的试验研究

以页岩为研究对象,通过室内单轴和不同围压下的常规三轴压缩试验,对破坏后页岩中的破裂面倾角和破裂面擦痕对峰后强度及变形特性的影响进行了系统研究。结果表明:页岩从屈服破坏至稳定残余阶段主要发生的是黏聚力的弱化过程,破裂面的摩擦角减弱量较小;由于破裂面的倾角随着围压的增大而减小,使得页岩残余强度与峰值强度的比值随着围压的升高而增大,而且低围压下页岩残余强度比峰值强度受围压影响更明显;岩石破裂面擦痕具有明显的分形特征,破裂面擦痕的分形维数随围压的增大而非线性增加,岩石残余强度和其对应的破裂面擦痕分形维数具有较好的指数函数关系。     

基于分形盒维数的爆破震动信号研究

根据爆破震动信号曲线的双尺度性特征，建立了分形盒维数模型。采用具有横向时间尺度δ1和纵向振幅尺度δ2的矩形网格覆盖波形曲线，在爆破震动信号有效记录部分内确定其主振动周期T，并以此确定爆破震动信号无标度区内k的取值范围。采用该模型计算出岩石场地进行深孔爆破试验时所采集震动信号的分形盒维数D。分析表明，分形盒维数D能反映爆破地震波主振频率大小；药量和距离对盒维数拟合直线方程参数b的影响明显，且两者关系与场地衰减指数α对地震波峰值强度的作用相近；获得了参数b与爆破地震波振动峰值A的关系式。分析证明了所建立分形盒维数计算模型的正确性，并以实例论证了爆破震动信号具有分形特征。     

裂隙岩石试件超细水泥注浆效果CT分析

为了研究围岩注浆加固后浆液结石体对围岩裂隙的填充效果,采用超细硅酸盐水泥和泥岩试件进行注浆试验,借助于CT(Computed Tomography)扫描技术,对试件的CT数字图像进行多阈值分割的处理,通过盒维数法计算图像的分形维数,对注浆后试件的内部细观变化进行研究。研究表明:超细水泥浆液注入岩石试件后,裂纹出现劈裂延伸的现象;注浆前截面上裂纹比例平均值为3%,注浆后浆液结石体在裂隙中填充率为63%~88%;宽裂纹中水泥浆液填充率较低,而细小裂纹中浆液结石体填充率较高;截面分形维数从注浆前1.27~1.42下降至注浆后的1.01~1.21。     

切缝药包不耦合装药爆破损伤破坏的分形研究

为研究不同不耦合系数下切缝药包的爆后损伤破坏特征,以有机玻璃为试验材料,对不耦合系数1.33、1.67、2.00、2.33、2.67的切缝药包爆破损伤破坏进行分析。基于分形理论中计盒维数的原理,编写MATLAB程序分别计算5种不耦合系数下切缝药包在切缝方向以及垂直切缝方向爆生裂纹的分形维数。对爆后裂纹长度以及数量进行统计分析,结果表明:①在试验选取的不耦合系数范围内,切缝方向裂纹的分形维数显著大于垂直切缝方向的分形维数,切缝药包对于爆生裂纹扩展方向的控制具有明显效果;②在试验选取的不耦合系数中存在最佳不耦合系数1.67,在该不耦合系数下切缝方向爆生裂纹分形维数达到最大值,裂纹长度最大,爆破损伤破坏的定向控制效果最佳;③在不耦合系数大于1.67后,随着切缝药包不耦合系数的逐渐增大,切缝方向的裂纹扩展长度逐渐变短。     

水力压裂煤裂隙网络表征与造缝性能评估试验研究

煤裂隙网络的准确表征可以有效评估深部煤层经水力压裂后的压裂效果，为了定量评估煤层经水力压裂后的复杂程度，利用自制的真三轴试验系统进行了煤的水力压裂试验，结合CT扫描，重建了具有拓扑结构的孔裂隙网络，用分形理论和拓扑学定量表征了断裂网络的复杂程度。探究了在真三轴应力条件下，中间主应力对裂缝网络复杂程度的影响。结果表明：压裂后煤样的二维分形维数变化率K为1.03%～7.10%，三维分形维数的变化率为3.50%～9.18%，经过水力压裂后煤样的二维和三维分形维数均显著增大。基于分形理论和拓扑学的方法能有效表征水力压裂的裂缝结构和造缝能力。压裂后煤样的二维拓扑参数为1.18～1.52，与压裂前后煤样的二维分形维数变化率呈正相关关系，二维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大逐渐减小。重构的内部结构和裂缝分布表明，压裂后的三维分形维数比二维分形维数更具优势，压裂后煤样的三维拓扑参数为1.82～1.93，随着三维分形维数变化率的增加而增大，三维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大而增大。中间主应力对煤层的造缝能力存在积极影响。水力压裂前后的分形维数和拓扑参数都随着中间主应力的增大而增大，...     

动压作用下敏化剂对乳化炸药析晶量的影响

利用水下爆炸测试系统,对乳化炸药药包进行动压加载,测出动压作用前后乳化炸药药包水中爆炸冲击波压力大小,计算出压力减敏程度,并利用水溶法测量了乳化炸药在动压作用前后析晶量的大小,用析晶量的大小来表征乳化炸药的破乳程度,分析了敏化剂的含量和类型对乳化炸药破乳程度的影响。实验结果表明：在相同的动压作用下,乳化炸药的析晶量随着...     

直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究

为了探索爆破参数对直立岩层边坡岩体的静态爆破影响效果，通过电测法测试了钢管试件中静态破碎剂产生的静态膨胀压，设计了考虑抵抗线、孔距、水平压力、布设方式等参数的静态爆破试验。试验结果得出：在径向约束条件下，静态破碎剂产生的膨胀压力随时间成指数增长趋势；在水平约束条件下，水平约束力越大，岩体开裂所需要的膨胀压越大，直立岩层岩体的残余水平构造应力是静态爆破设计的关键参数；钻孔裂纹贯通时间随孔距非线性增大，建议静态爆破设计孔距为 2~2.5 倍钻孔直径。进一步讨论得出：三角形布设方式的爆破效果明显优于矩形布设方式，直立岩层边坡岩体的静态爆破过程可分为岩体微裂、孔边裂纹扩展、裂纹密集发育和岩体碎裂 4 个阶段。     

侧向荷载下组合孔爆破参数优化取值试验研究

随着浅部资源开采逐渐进入深部，深井高地应力问题愈发严重。为研究深部金属矿山回采过程中由于采切工程带来的单侧高地应力问题，通过理论分析推导了深部无限岩体内炸药爆炸压碎圈半径、裂隙圈半径的扩展公式，认为初始地应力对炸药爆破裂隙具有抑制作用，且对裂隙圈半径扩展的抑制作用更明显。不同单侧围压下组合孔爆破模型试验结果表明：随着单侧围压加大，组合孔爆破漏斗体积减小，炸药单耗增加，单侧围压加大对组合孔爆破同样呈抑制作用。在理论分析和模型试验的基础上，采用LSDYNA软件建立了赞比亚谦比希铜矿井下采场三维模型，开展了单向围压15 MPa下采场组合孔爆破参数（孔距、抵抗线）优化研究。研究表明：当抵抗线W=1.8 m、孔距 a=2.4 m时，即W=23.68[?]、a=31.58[?] （[?]为炮孔直径）时，爆破漏斗体积得到最大值，此时可取得最大的炸药能量利用率。研究结果对于矿山现场爆破参数优化具有一定的参考价值。     

兰尖铁矿边坡破碎带控制爆破

为了寻求适用于攀钢(集团)矿业公司兰尖铁矿边坡破碎带的控制爆破方法,在该矿的兰山采场进行了大约2年的爆破试验。根据兰山采场边坡破碎带岩体的结构特点,试验中采用了不同的控制爆破方法和炸药,并不断优化爆破孔网参数和装药量。试验结果表明,采用低爆速炸药的缓冲光面爆破方法能取得较好的爆破效果,半孔率可达73 6%。     

水胶炸药聚能光爆技术在岩巷施工中的研究与应用

鹤煤公司现光面爆破技术存在周边围岩超、欠挖仍较严重等问题，特别是在较软弱破碎岩石中，问题尤为突出，且存在着单位耗药量大、爆破震动和空气冲击波强度大、围岩超挖和损伤大等一系列问题。为了保证光爆效果，提高巷道施工单进水平，以鹤煤六矿31采区回风上山岩巷掘进工作面为工程背景，经过井下现场反复试验、摸索、修正、分析总结，对炮眼布置、炮眼角度以及装药结构、装药量进行重新设计及优化，采用水胶炸药聚能光爆技术。工程实践表明，水胶炸药聚能光爆技术提高了岩巷掘进速度，减弱了围岩震动速度，实现了“三提高，一保护”的作用。研究对类似的岩巷掘进工程具有借鉴意义。     

深孔预裂爆破装药量计算方法及水耦合装药结构优化

岩体内爆破裂隙的发育程度与装药参数密切相关。针对现有装药量计算方法在深孔预裂爆破应用中适用性差的问题,通过建立柱状装药简化计算模型,基于体积法计算原则,提出了一种深孔预裂爆破装药量计算方法,并分析了水压爆破作用机理,对深孔预裂水耦合爆破装药结构进行优化,解决了深孔封堵劳动量大、含水地层封堵困难、炸药拒爆等不易处理的难题。采用上述研究成果,在新驿煤矿硬岩巷道开展了综掘硬岩深孔预裂爆破现场试验,借助钻孔成像仪及声波测试仪进行爆破效果检测。结果表明:爆破后孔内岩石大量裂隙增加,岩石完整性下降,封堵段岩石完整性系数下降至0.3～0.5,装药段下降至0.1,综掘机推进过程中爆破区域推进速度增加,验证了装药量计算方法及装药结构的优越性。     

甘肃北山地区花岗岩破坏过程能量聚集和耗散特征研究

对甘肃北山地区的花岗岩进行不同围压下三轴试验,通过轴向压力和横向变形联合控制加载过程,获得了不同围压下岩石全应力应变曲线,重点研究了岩石特征应力和不同阶段岩石能量变化特征。研究结果表明:随着围压的增加,特征应力线性增大,围压每增加1 MPa,启裂应力、损伤应力、峰值应力分别增加3.30 MPa、6.74 MPa、7.68 MPa;特征应力对应的总能量和弹性能均有较大幅度的增加,围压从2 MPa升高到30 MPa时,启裂应力、损伤应力和峰值应力对应的弹性能分别增加了5.2倍、5.8倍和5.1倍,启裂应力、损伤应力和峰值应力对应的总能量分别增加了4.9倍、5.7倍和4.7倍;各阶段耗散能增加量整体上随围压增大呈增加的趋势,且裂隙不稳定扩展阶段能量受围压影响更剧烈;定义峰值岩石储能系数,并分析储能系数对峰值岩石稳定状态的影响。     

冲击地压煤层爆破卸压效果分析

针对煤体爆破防治巷道冲击地压卸压效果检验的问题,分析了煤层爆破卸压防冲机理与电磁波在地下煤岩体衰减规律,建立了基于爆破产生裂隙区与电磁波衰减良好对应关系的电磁波CT评价冲击危险的方法及模型。采用电磁波CT法对郓城煤矿1301回风巷煤层爆破卸压前后的电磁波衰减特征进行了对比分析,研究表明,煤层爆破卸压显著降低了爆破区域的煤体强度,使得煤体中部的应力向煤体深处转移,从而降低了冲击危险性;同时,爆破对支护区围岩的损伤较小,卸压与支护耦合性较好。基于检验结果确定了合理的爆破参数。