铝纤维混合燃料破岩激波管作用机理研究

为了验证非炸药爆炸破岩新方法的可行性,利用铝纤维和常用燃料作为能源,在密闭管道内反应产生高压气体激波和射流,冲击炮孔孔壁岩体,产生初始裂缝并使裂缝继续扩展,达到破岩的目的。根据实验设计及情况,使用动载系数法校核了破岩管的强度,给出了许用的管内反应压力。最后,用水泥砂浆试件检验该方法的实际破岩能力,结果表明:在1 g铝纤维、10 mL乙醇、1 MPa氧气的情况下能破碎试件1;在2 g铝纤维、15 mL乙醇、2 MPa氧气的情况下能破碎试件2和试件3,并在试件2和试件3沿着以及垂直于泄能口连线的方向上产生了4道主要裂缝,裂缝在高压气体作用下延伸、扩展,使试件开裂破碎。     

爆生气体作用过程的模拟试验研究

本文通过机械方法产生高压气体，以模拟爆生气体单独作用下的破岩作用，试验表明，爆生气体的破岩过程可用准静态和静态动力学分析，建立在拉伸破坏基础上的静态平衡方程和爆破的实际效果一致，从而证明了爆生气体破岩的拉伸破坏本质。     

岩弹冲击破岩规律试验研究EI北大核心CSCD

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。     

隧道高压气体破岩有效性等级评价及工程应用

为了解决近年兴起的高压气体膨胀法应用于隧道工程时存在的破岩难易程度和孔网参数合理性的问题,引入破岩有效性的概念和一种基于云模型理论的评价方法。根据隧道围岩性质和高压气体破岩的特点,建立了隧道高压气体破岩有效性等级评价模型。通过正向正态云发生器生成对应的云模型参数,再结合各评价因子的权重,获得云模型的综合确定度,最后利用最大隶属度原则确定隧道高压气体破岩有效性等级。将该模型应用于某一隧道工程,成功评定出该隧道掌子面高压气体破岩有效性等级。研究结果表明:该方法不仅能给出隧道高压气体破岩有效性等级,而且对孔网参数的选择起到了指导作用,为高压气体膨胀法在隧道工程中的应用和推广提供了理论基础。     

增压式脉冲水射流破碎硬岩性能研究

为进一步提高脉冲水射流破岩能力,提出了一种增压式脉冲水射流发生方法,以低输入压力获取高脉动压力。为检验增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能,搭建了增压式脉冲水射流破碎硬岩试验系统,开展破岩试验,并结合数值模拟获取的流场细节信息,分析了不同喷嘴直径、射流压力、靶距对增压式脉冲水射流破碎硬岩性能的影响规律。结果表明：增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能随喷嘴直径增加先增大后减弱;随射流压力升高,射流轴心速度增大,但因气、液能量交换加剧导致的能量损耗增加,当前试验条件下射流压力为60 MPa时破岩效果最好;破碎体积在100 mm靶距达到峰值,而最大破碎深度对应的最优靶距为25 mm和75 mm,逐渐向喷嘴回移。研究结果对推动增压式脉冲水射流工程应用具有重要指导意义。     

条形药包爆破破岩规律的试验研究

分析了前人关于爆破破岩机理论述方面的矛盾,通过高速摄影观察有机玻璃中条形袋药爆炸波和破裂缝发展规律,得到了关于条形药包爆破破岩规律方面的新认识。提出了冲击该、气体膨胀压和反射拉伸波在破岩过程中各自所起的不同作用。特别在此基础上推出了条形药包下破裂深度计算公式,对工程实践有积极的指导作用。     

条形药包爆破破岩规律的试验研究

分析了前人关于爆破破岩机理论述方面的矛盾，通过高速摄影观察有机玻璃中条形袋药爆炸波和破裂缝发展规律，得到了关于条形药包爆破破岩规律方面的新认识。提出了冲击该、气体膨胀压和反射拉伸波在破岩过程中各自所起的不同作用。特别在此基础上推出了条形药包下破裂深度计算公式，对工程实践有积极的指导作用。     

形状记忆破岩装置研究

针对岩体破碎作业过程中产生振动、环境污染、安全等技术难题,研究开发新型破岩装置。设计制作以TiNi形状记忆合金管为压力元件的形状记忆破岩装置,阐明了形状记忆破岩装置的工作原理,并对其破裂力进行力学分析和室内混凝土破裂实验验证。结果表明:该破岩装置具有很强的破裂力,破岩速度快,可以实现对混凝土的破裂。     

基于TBM双滚刀破岩仿真的实验研究

为了提高滚刀破岩效率,探究滚刀间距及加载方式对全断面硬岩掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,简称TBM)滚刀破岩效果的影响.以滚刀破岩机理、岩石破碎理论为基础,选择某类花岗岩,通过有限元分析软件ABAQUS建立一系列滚刀破岩模型,对TBM刀盘结构设计进行研究,模拟不同刀间距、不同加载方式的双滚刀对破岩效果影响.通过模拟分析得出:在一定地质条件下,滚刀顺次加载和同时加载时的最优刀间距均是80mm,但是顺次加载的破岩效果要优于同时加载.通过实验数据分析得出破岩比能在刀间距为80~90mm时最小,从而验证了仿真模拟的正确性与合理性.研究成果对于探究双滚刀破岩机理、加快国内TBM设计理论与工程应用研究有一定帮助.     

岩体中传爆点振效应破岩机理探讨

岩体爆破机理研究工作开展的十分艰难,现有的主要理论均不能全面彻底地解释岩体爆破中的现象、描述岩体的破碎过程。而几乎所有的理论都是从岩体出发来展开研究,忽略了对炸药作用的研究。总结前人在岩体爆破破碎机理研究上的学说、论断、论点,结合爆破实践,以炸药作用为出发点,提出传爆点振效应破岩机理,且按照作用源划为三类破岩模式。并尝试用该理论来解释岩体爆破中的各种现象,更加有效、充分、客观地揭示岩体爆破破碎机理的物理实质。     

Fragmentation of rock by geometrical simulation of crack motion—I: Independent planar cracks

We employ numerical simulation and photographic reproduction of a manifold of cracks to study crack motion under stress, leading to fracturation. In our model (which is two-dimensional) the rock contains one planar crack, or a number of such cracks which may be randomly distributed in the medium, or else may be a set of radial cracks (such as would arise near a cylindrical borehole). The detonation is simulated by a time and stress varying wave emerging from one (or several) boreholes. The sense (tensile or compressive) and magnitude of the instantaneous pressure at each crack-tip determine the motion of the crack, in particular its direction. The finiteness of the rock is taken care of by the presence of a set of image-boreholes. Alternatively, a regular array of boreholes is “fired”, as in bench-blasting of rocks.

Our technique of visual representation illustrates the motion of the cracks as the pressure waves progress in the rock and exhibits the development of “damage” up to the stage of fracture. One sees clearly the effect of spalling (i.e. formation of tensile waves by reflection of compressive waves from the boundary) on crack growth and the bending of cracks as a boundary is approached. In the vicinity of the borehole the strongly compressive wave causes in the initial stages of the detonation a violent zig-zagging of the cracks; this results in the observed crushed-zone near the borehole. Effects on crack-growth of boundaries, time-delays and variations in elastic constants of the medium are examined.     

二氧化碳相变致裂软岩实验研究

为了研究二氧化碳相变产生的高压气体动态破岩的机理,通过建立设有分布式光纤传感器的物理模型结合数值模型的方法,研究了二氧化碳相变致裂煤体的内部效应,得到了二氧化碳相变高压气体动压破岩的机理及岩体裂隙、强度和二氧化碳相变气体压力等参数之间的关系。研究表明:气体准静压破坏煤体主要集中在煤体强度薄弱的区域,且气体压力要高于煤体破坏的最低极限值;原生裂隙会改变二氧化碳相变致裂煤体的空间范围和煤体的破坏程度,原生裂隙与炮孔之间的夹角越小、距离越近,越明显。     

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面结合的研究 2. 界面剪切强度的影响因素及最佳值的判断

通过单丝临界断裂长度法, 研究了聚丙烯(PP) 与玻璃纤维(GF) 间界面剪切强度( ISS) , 发现调节酸酐改性聚丙烯(M PP) 的加入量, 可以相应调整ISS; 基体熔体与GF 接触时间在8～ 10 m in 以后界面才能结合完全。当ISS 小于4M Pa 时界面结合过弱, 纤维在断口处与基体脱粘, 形成 空管状; ISS 高于7M Pa 时界面结合过强, 纤维断口处基体产生垂直于纤维的裂缝, 材料变脆; ISS 在4～ 7M Pa 时界面结合最佳, 既不产生明显脱粘, 也不产生向基体内扩张的裂缝。复合材料的宏 观力学性能旁证了该结果。      

混凝土爆破孔壁动态初始参量的数值模拟

在考虑爆轰波与孔壁相互作用及孔壁的可压缩性等主要因素情况下,根据爆轰理论和流体动力学原理,建立了计算偶合装药点起爆时孔壁动态初始参量的物理模型,给出了计算公式。计算了中等威力炸药（如２＃岩石炸药、乳化炸药和水胶炸药）在混凝土中爆炸时孔壁动态初始参量（如初始冲击波压力、速度等值）,得到了自起爆点开始沿炮孔长度方向各参量的变化规律、并得出了一些有意义的结论。     

混凝土爆破孔壁动态初始参量的数值模拟

在考虑爆轰波与孔壁相互作用及孔壁的可压缩性等主要因素情况下，根据爆轰理论和流体动力学原理，建立了计算偶合装药点起爆时孔壁动态初始参量的物理模型，给出了计算公式。计算了中等威力炸药（如２＃岩石炸药、乳化炸药和水胶炸药）在混凝土中爆炸时孔壁动态初始参量（如初始冲击波压力、速度等值），得到了自起爆点开始沿炮孔长度方向各参量的变化规律、并得出了一些有意义的结论。     

不耦合装药爆炸扩腔机理研究

在大量现场试验的基础上,通过动光弹实验和理论分析,对敞口条件下岩石的爆炸扩腔机理和规律进行了研究.敞口条件下球形偏心不耦合装药爆炸扩腔初始应力场的动光弹研究结果表明:装药结构对围岩中应力波的产生和发展有显著的影响;围岩中的初始应力分布随药包与腔壁间隙的增大而降低;由于药包的偏心作用,围岩中产生的S波较球形耦合装药显著增强;S波的波阵面与爆扩形成的腔体形状有明显的几何相似特性,表明了围岩的破坏主要是S波作用的结果.在对经典敞口爆扩经验公式和现场试验结果进行分析比较的基础上,提出了敞口条件下多次爆扩的剥落扩腔作用机理:认为敞口条件下多次爆扩的腔体扩大是冲击载荷压缩扩腔和二次冲击剥落扩腔共同作用的结果.     

锥角参数对单向聚能药柱爆破破岩效果的影响

为研究聚能穴锥角参数对爆炸应力和岩石损伤破裂范围的影响,以获得最优的聚能穴参数,从而达到最佳的破岩效果,利用有限元模拟软件LS DYNA建立了6种锥角参数下的单向聚能药柱模型。锥角的深度为15 mm,6种锥角高度分别为10、12、14、16、18 mm和20 mm。研究了岩石裂纹扩展的影响规律,测得聚能方向与非聚能方向上不同位置的有效应力,得到不同锥角参数对应的岩石单元的最大破坏距离。结果表明:聚能锥角会对爆破产生定向作用,特别是对岩石破碎和拉伸裂纹所带来的破岩效果影响明显;当锥角高度为10 mm时,距炮孔25 cm测点处聚能方向上的有效应力比非聚能方向同样距离处高110.8 MPa,同时,聚能方向上单元损伤比要比非聚能方向高21%,聚能效果最佳;随着锥角高度逐渐增大,聚能方向上岩石裂纹逐渐减少,裂纹分叉减少,单元破坏最大距离可达108.1 cm,并且呈下降趋势。     

非均质围岩压力隧洞混凝土衬砌的初裂间距

非均质围岩中,水工压力隧洞混凝土衬砌间距不等,裂缝位置未知。建议一个能够确定初裂裂缝位置的数值计算方法,并利用现场试验结果验证了其可行性。阐明了典型地质条件对衬砌最大应力位置,即第一条裂缝位置的影响。通过大量计算,分析了混凝土开裂所引起的释放应力的特性,从而得出压力隧洞混凝土衬砌有关初裂间距的某些概念:相同围岩条件下,大直径压力隧洞混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于小直径隧洞;洞径相同条件下,非均质围岩中混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于均质围岩隧洞;各计算情况下,混凝土的初裂裂缝条数为 1条~4条,裂缝条数较少的主要原因是开裂时,围岩对衬砌的平均切向抗力较小(约为0.05MPa)和应力松弛范围较大,约90°。