爆炸载荷下空孔缺陷与爆生裂纹扩展行为研究

空孔在岩石巷道直眼掏槽爆破中具有重要作用,为研究空孔及其缺陷在爆炸荷载作用下的扩展行为和作用机理,以PMMA代替岩石材料,利用预制裂纹代替空孔缺陷,借助动态焦散线系统和理论分析为手段,研究不同间距下空孔、空孔处预制裂纹、爆生裂纹动态扩展规律及机理,分析不同"径距比"与掏槽效果的关系。研究结果表明:在装药量一定的情况下,随着炮孔与空孔距离的变化,爆生裂纹扩展距离呈现递增而预制裂纹扩展距离呈现递减的趋势,但都存在极值;当炮孔与空孔距离较小时,爆生裂纹和预制裂纹扩展及相互作用最复杂,爆生裂纹扩展经历由压缩应力波为主,表现为直线的前期扩展;由空孔处发射应力波和压缩应力波共同作用下,爆生裂纹偏离炮孔与空孔连心线的中期扩展,以及由空孔应力集中区作用使爆生裂纹向空孔方向偏移的后期阶段;预制裂纹扩展经历由空孔处应力集中作用下,表现为直线的前期扩展,以及由爆生裂纹处反射拉伸波作用使其向爆生裂纹发展的后期阶段;当炮孔与空孔距离较大时,反射应力波及应力集中效应对爆生裂纹和预制裂纹扩展在减弱,爆生裂纹与预制裂纹扩展行为仅有前期直线扩展阶段。"径距比"的大小对爆破效果影响较大,直眼掏槽爆破应以最优"径距比"作为掏槽爆破参数设计的依据。     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

地应力对岩石爆破开裂及爆炸地震波的影响研究

深部岩体爆破开挖是高地应力和炸药爆炸产生的动应力共同作用的结果。采用SPH-FEM耦合数值模拟方法,研究了地应力场对岩石爆破开裂及开裂区外地震波能量的影响。结果表明:随着地应力水平的提高,岩石爆破破碎区的范围缩小、裂纹扩展速度降低,非静水地应力场中破碎区内裂纹主要沿最大主应力方向扩展,但地应力对爆破粉碎区的形成几乎没有影响;地应力作用下爆破开裂区形态改变影响了爆炸地震波的能量及传播特性,随着地应力的增大,更多的炸药爆炸能转化为地震波能量,产生的高频地震波随距离衰减更快,且小主应力方向上的爆炸地震波能量更大。研究成果可为深部岩体爆破优化设计提供理论参考。     

爆炸荷载下缺陷介质裂纹扩展规律数值分析研究

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,同时借助ABAQUS有限元分析中内聚力模型数值计算方法,研究了爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展规律,并将试验结果与数值计算结果进行了对比。研究表明:在爆炸应力波作用下预制缺陷两端产生了两条翼裂纹A、B,扩展长度基本相同,方向垂直于预制缺陷。两条翼裂纹的扩展基本是对称的,只是在尾端发生轻微翘曲;翼裂纹扩展速度先增大至峰值又振荡减小,之后又增大至第二个较小的峰值,然后又减小,这种变化趋势和裂纹尖端应力强度因子KⅠ保持一致;扩展角β为85°时,计算结果较为接近试验,内聚力模型为动态裂纹扩展的研究提供了一种有效的方法。     

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。     

爆炸冲击波作用下工事舱室内动物损伤效应试验研究

利用TNT装药在爆炸波模拟装置爆室内爆炸产生的复杂波，对模拟工事舱室内绵羊进行开口及封闭两种情况下生物致伤效应系列实验，得到两种不同类型的复杂波A波与B波。结果表明两种复杂波的波形、作用时间、舱室内分布规律及对动物损伤效应均明显不同。通过对实验数据及动物致伤程度的医学分析，获得两类复杂波作用下动物损伤阈值范围。     

爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理,采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明,对迎爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时,裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著,引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿,衍射后作用于右尖端反射拉伸引起;对背爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时,裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷,裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中,在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。     

爆炸荷载下反向弧形裂纹扩展规律的实验研究

为了研究爆炸荷载作用下预制反向弧形裂纹的动态断裂特性,采用数字激光动态焦散线实像-虚像综合实验系统分析爆炸应力波作用下和斜入射爆生运动裂纹作用下预制弧形裂纹尖端实像和虚像焦散斑变化特征、预制弧形裂纹尖端应力强度因子变化特征以及爆生裂纹与翼裂纹运动扩展特征。结果表明：通过实像光路和虚像光路可以定量分析裂纹尖端拉剪应力和压剪应力的动态变化过程,从而获得爆炸荷载与预制弧形裂纹作用的全过程;爆生主、次裂纹能量具有大小之分,且其动态应力强度因子变化趋势具有一致性;定向爆生运动裂纹与预制弧形裂纹贯通位置是造成预制弧形裂纹上下端点应力强度因子差异性的主要原因。     

含非贯穿直裂纹管道局部柔度系数的广义解研究

摘 要：基于局部柔度的裂纹模型研究已受到普遍关注,然而,针对含任意方向角裂纹管道的局部柔度系数理论研究鲜有报道。本文根据线性断裂力学理论推导了含任意方向角非贯穿直裂纹管道在轴力、剪力和弯矩等荷载作用下的局部柔度方程,考虑了方向角变化对弯矩引起局部柔度系数的影响。利用适应性Simpson方法编写了数值积分程序进行局部柔度系数求解,并与Naniwadekar等人试验结果进行了对比分析。研究结果表明：本文提出的局部柔度系数求解方法准确,为含任意方向角裂纹管道的振动分析提供了基础。     

层理面对水压爆破应力波传播规律的影响

水压爆破应力波的传播过程决定了爆破的作用效果及影响范围,层状岩体中的层理面特征对水压爆破应力波的传播路径及衰减具有直接影响.为明确水压爆破应力波在层状岩体内的传播规律及影响因素,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了层理面位置及其介质属性对水压爆破应力波传播的影响规律.结果表明:水压爆破相对于常规爆破产生的初始应力...     

瓦斯爆炸在封闭管道内冲击振荡特征的数值模拟

摘要：为了研究爆炸波在封闭型系统的冲击和振荡特征及其特征参数变化规律,采用数值模拟的方法研究了封闭型管道内瓦斯爆炸的传播特征。研究结果表明：闭口型系统内的瓦斯爆炸呈明显的振荡特征,对于爆燃波,反射波有2道,即前驱冲击波的振荡和压缩波的振荡。由于冲击波的振荡叠加,使其最大爆炸超压和瞬态流速峰值与开口型系统相比较高,而且在反射波及稀疏波的影响下,爆炸波超压分为三个区。爆炸温度和动压同样呈明显的振荡特征,使得爆炸高温环境维持较长时间,爆炸动压在爆炸传播方向的动压与其他方向相比明显较大。研究结果解释了受限空间内爆炸破坏比开放型系统强烈的原因,为今后受限空间内爆炸的预防与控制提供了基础理论参考。     

The roles of foam ceramics in suppression of gas explosion overpressure and quenching of flame propagation

In order to substantially suppress the shock waves resulting from gas explosions in coal mines as well as to reveal the mechanism of explosion flame quenching by foam ceramics, a rectangular explosion test pipe was designed, which has a 200 mm × 200 mm cross-section and is similar in shape to the roadways in coal mines. Explosion flame propagation characteristics in empty pipe and in the presence of Al₂O₃ and SiC foam ceramics were experimentally investigated. To obtain direct observations, the flame propagation was photographed by a high-speed camera. Furthermore, the mechanism of foam ceramics affecting gas explosion propagation was analyzed. The results demonstrate that the foam ceramics attenuate drastically the maximal explosion overpressure by up to fifty percent; the interconnected micro-network structure of the foam ceramics contribute to quenching gas explosion flame and suppressing shock wave overpressure. These important findings hint that, if properly designed and deployed, this material is expected to be developed into a new suppression and isolation technique against multiple and continuous gas explosions that are presently a grave threat to production safety of coal mines across China and the rest of the world.     

定向断裂双孔爆破含缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明:在爆炸应力波作用下,预制裂纹尖端起裂,并扩展。炸药爆炸后,主裂纹的扩展速度迅速达到峰值,之后开始振荡减小,其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值,然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ从峰值振荡减小,又振荡增加至第二个峰值,之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ达到最大时,次裂纹起裂,之后K_Ⅰ振荡减小。裂纹扩展的过程中K_Ⅱ基本都小于K_Ⅰ。     

基于UDEC煤体深孔预裂控制爆破数值模拟研究

通过定义煤体爆破损伤本构模型,利用fish语言编写计算代码,选择高斯脉冲函数作为爆炸波输入动力荷载,设置静态边界条件和对称边界条件,划分有限差分网格,建立了UDEC煤体深孔预裂控制爆破损伤模型,分析了煤体中距炮孔不同距离处爆炸应力波传播规律以及煤体爆破损伤区的扩展过程。研究结果表明:煤体中爆炸应力波随径向裂隙的扩展呈非线性指数衰减;煤体爆破损伤的最大损伤半径为3 m,且炸药起爆至煤体损伤破坏时间很短,大约为5.11 ms;煤体深孔预裂控制爆破最优炮孔间距为6 m。     

角联管网瓦斯爆炸冲击波与火焰波的传播特性

为了得出实际管网中瓦斯爆炸冲击波、火焰波的普适性传播特性,搭建了角联管网实验系统。通过平均升压速率和爆炸威力指数表征冲击波传播特性;通过火焰传播速率表征火焰波传播特性。结果表明:冲击波在角联管网中传播时出现了多次衰减与叠加,冲击波的正向传播和冲击波在管网所有互连管道中的反向传播叠加在一起,导致冲击波的传播呈现复杂无序状态。冲击波传播在不同的管道结构时,经过45°分岔管道时爆炸威力最大;在斜角联支管中,压力损失最大,超压爆炸威力下降幅度最大,火焰波传播速率最快;底部直管中的火焰波传播速率最慢。可为瓦斯爆炸灾害发生后应急救援方案的制定提供理论参考。     

铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响

为研究铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响,采用转镜式高速扫描相机对含30％(质量分数)微米铝粉、20％(质量分数)微米铝粉与10％(质量分数)亚微米铝粉的2种RDX基含铝炸药水下近场爆炸过程进行了观察记录,获得了沿装药径向的爆炸冲击波传播轨迹扫描底片。通过对2种含铝炸药水中近场爆炸扫描底片进行判读分析,获取了沿装药径向的爆炸冲击波传播迹线与爆轰产物膨胀迹线,由此分析得出2种含铝炸药爆炸冲击波传播速度、波阵面压力和爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律,并对2种含铝炸药相关参数进行了对比分析。结果表明,在10％(质量分数)微米铝粉替换为亚微米铝粉后,含铝炸药冲击波的初始传播速度及波阵面压力减小且能量衰减速率也降低,冲击波传播距离为40 mm左右时,2种炸药的阵面压力便较为相近,并且在爆轰产物气泡膨胀阶段,由于亚微米铝粉反应较快,其释放的能量导致气泡膨胀速率增长较快。     

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。     

金属介质在切割爆破中的定向作用

为了研究定向切割中金属介质对爆炸能量传播的控制作用,采用理论计算和LS-DYNA数值模拟软件分析了孔壁初始裂缝的形成和裂缝贯穿的机理。结果表明:由于金属介质的冲击阻抗远大于水介质,沿金属介质方向传播的爆炸压力和速度都远大于其他方向,导致金属介质接触的孔壁处首先产生初始裂缝,随后在爆轰压力和"水楔"作用下裂缝失稳贯穿。有机玻璃模型实验结果表明:受金属介质的控制,模型能按照预定方向断裂出平整光滑裂缝,炮孔周围仅有少数短裂隙,证明了该技术的优势。