炮孔爆破中新的岩体断裂理论

本文提出了炮孔中非对称爆炸载荷(如极限偏心装药和特殊药卷)产生的“非对称效应”,分析了这种非对称载荷对无限岩体中炮孔周围裂隙的生成,扩展和最终分布的影响。研究得出:在偏心装药时,在装药与炮孔壁接触面上首先生成裂隙,预先生成的裂隙引起的稀疏波对孔壁上其它方向上的裂纹的生成与扩展有限制作用,这一制约遵循下列必要条件: 根据J一积分原理导出了计算裂隙产生所需时间的理论公式,计算结果与动光弹试验结果基本吻合。 最后,分析了切缝药包爆炸产生非对称载荷的机理,介绍了这项新技术在断裂控制中的应用效果。 本文所提出的关于炮孔爆破中新的岩体断裂理论以及所得出的初步结论对于爆破破岩机理的研究和指导工程实践都具有重要意义。     

断续节理介质爆生裂纹扩展的动焦散实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟断续节理岩体断裂爆破过程,进行了有机玻璃（PMMA）模型透射式动态焦散线实验,研究了无充填和充填断续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的机理．结果表明：切缝药包爆炸应力波到达无充填断续节理面后,在节理的两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展,最长达2．5cm,翼裂纹尖端复合应力强度因子呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,裂纹扩展速度和加速度变化趋势与应力强度因子变化类似;爆炸应力波到达充填断续节理面后,同样在节理两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹向两侧偏移很大,翼裂纹最长达4cm,翼裂纹尖端应力强度因子KI^d呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,动态应力强度因子K☆则呈由大变小连续振荡变化的趋势,而且翼裂纹扩展过程中具有起裂时间早、裂纹扩展速度和加速度峰值大的特征．     

不同切缝管材质下切缝药包爆炸冲击波传播特性研究

综合采用高速纹影实验系统和空气冲击波超压测试系统,对不锈钢管、PVC管、有机玻璃管材质的切缝药包爆炸冲击波与爆生气体的传播机制进行探讨研究,同时捕捉了沿切缝方向与垂直切缝方向的空气冲击波超压.结果表明:3种切缝管材质下爆炸冲击波与爆生气体的扩展形态基本相同,都保持着高度对称的形态.爆炸冲击波和爆生气体都是优先从切缝管中向外传播,这一特性不受切缝管材质的影响,爆炸冲击波优先沿切缝方向扩展,爆生气体主要沿切缝方向扩展.等距离对比分析3种材质的切缝药包空气冲击波超压,不锈钢管材质的切缝药包沿切缝方向与垂直切缝方向的超压比值最大,有机玻璃管的超压比值最小.数值模拟得出了切缝药包近区爆炸波动场的变化规律,与纹影实验结果在形态上基本一致.     

掏槽控制爆破动焦散试验研究

运用焦散线法基本原理，建立了性能稳定的爆炸加载测试系统．用普通药包掏槽爆破和切缝药包掏槽控制爆破进行了透明材料模型的透射式动焦散试验对照试验，结果表明，在相同药量的情况下，普通药包掏槽爆破的裂纹在各炮孔周围为随机分布，裂纹数目多且较短，各掏槽炮眼间没有形成贯通裂纹，其焦散斑随裂纹分布；采用切缝药包掏槽控制爆破的裂纹主要沿切缝方向分布且较长，各掏槽炮眼间形成贫通裂纹，焦散斑主要分布在切缝方向上．最后探讨了掏槽控制爆破的机理．     

水力耦合作用下岩体3维裂隙的起裂扩展模式研究

岩体裂隙在高地应力、强渗透压作用下极易发生扩展、贯通,导致岩体破裂失稳。为研究水力耦合作用下3维裂隙的起裂扩展模式,采用3维断裂分析软件FRANC3D建立水力耦合数值模型,进行数值模拟研究,并开展相应的含裂隙透明树脂类岩石材料室内破裂试验。通过对比模拟与试验结果,分析了不同断裂准则的适用性,验证了数值模型的可靠性。基于数值模拟调查了不同加载条件下裂隙前缘断裂参数的分布特征,获得了水压、侧压等关键因素对裂隙起裂角及扩展长度的影响规律。结果表明：采用优化的能量释放率准则模拟的3维裂隙空间起裂扩展模式与试验现象具有良好的一致性;裂隙长轴端点处的翼裂纹为Ⅰ-Ⅱ（张拉－滑移）型复合裂纹,短轴端点处的平面扩展为Ⅰ-Ⅲ（张拉－撕裂）型复合裂纹,除长、短轴端点外的其余位置发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合断裂;水压的存在显著改变了裂隙前缘的应力分布状态,水压增大可提高拉应力水平,明显促进张拉断裂的发生,使裂隙倾向于沿原裂隙面方向起裂,并导致裂隙前缘各处扩展速率趋于均衡;侧向压应力增大可显著促进张拉断裂,抑制滑移与撕裂断裂,并使裂隙前缘能量释放率呈降低趋势,从而抑制裂隙扩展,而侧向拉应力起相反作用,由此认为岩体在双向受压状态比拉压受力状态更为安全;侧向压应力与水压共同导致翼裂纹偏转角度明显减小,改变了3维裂隙的空间起裂扩展模式及岩体的宏观破裂形态。     

切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板矿压与瓦斯综合防治试验研究

针对厚硬顶板导致高矿压、高位钻孔瓦斯抽采效果不佳的问题,通过爆破相似模拟试验与理论分析相结合的研究方法,对普通爆破与切缝药包爆破载荷作用下物模的宏观裂纹分布模式、损伤特征以及应变和应力的演化规律进行分析,对爆破弱化半径进行定量计算.结果表明：模型表面爆破裂纹分布差异显著;使用损伤度(D)及波降率(η)对岩石爆破损伤情况进行定量表征,发现切缝药包爆破比普通爆破造成的有效损伤范围更大;动态应变信号分析表明,切缝方向上应力波波阵面速度更快、强度更高,岩层受到的爆炸动载更强,测点的峰值应变及峰值应力均显著大于普通爆破.理论计算表明切缝药包爆破弱化半径(21.8 m)大于普通爆破(16.5 m),使用切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板可以保障巷道稳定性,并且更具经济效益.研究成果为解决厚硬顶板条件下的矿压与上隅角瓦斯综合防治问题具有一定的指导意义.     

水平井多级脉冲气体加载压裂及产能评价

基于三向地应力和气体压力作用下水平井筒周围围岩的受力特点,通过引入加权函数,并采用与时间相关的爆生气体压力分布方程,应用弹性力学、断裂力学理论给出了多级脉冲气体加载压裂水平井裂缝尖端应力强度因子计算式,建立了多裂缝起裂扩展准静态方程,该方程可以模拟爆生气体驱动下缝长、缝宽的变化过程。根据产能方程分析了不同裂缝参数对产能的影响。结果表明,多级脉冲气体加载压裂可沿着水平井筒轴线产生多条径向裂缝,裂缝沿着与射孔相位一致的方向延伸直到止裂,止裂后裂缝会发生一定程度的闭合形成残余缝宽;不同的裂缝条数会产生不同的最终缝长;多级脉冲气体加载压裂水平井能够显著增加油井产量,裂缝的长度对油井产量的增加起决定作用,在现场施工中应对此压裂工艺进行优化设计与控制,增加裂缝长度,减少裂缝条数。     

岩石断裂控制爆破的裂纹扩展

工程控制爆破,要研究岩石的定向断裂的裂纹扩展。本文在进行了动载荷作用下径向裂纹产生扩展过程的动光弹试验。对应力波的起裂作用,爆炸气体的扩裂作用进行了分析研究。文章指出,爆破岩石的应力历程及损伤累积是岩石破裂首要条件,而原裂纹存在条件影响裂纹扩展方向。探讨了爆破应力波作用下波激活裂纹数的分布规律和裂纹密度的表达式。     

基于SCSCC试样的岩石复合型裂纹动态扩展特征研究

侧开单裂纹半孔板（single cleavage semi circle compression —SCSCC）试样是一种改进后的矩形板试样,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置进行了冲击实验,完成了SCSCC试样纯I型及I-II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行了数值分析,研究了其扩展路径及扩展过程中的止裂问题。结果表明：1）SCSCC试件在实验过程中,纯I型裂纹扩展过程中尖端沿着原方向朝试件右侧移动,I-II复合型裂纹扩展过程中朝着试件中轴线方向（最大应力区）移动,且可以观察到止裂现象;应变片法是一种监测断裂时刻的有效方法。2）使用修正的最大主应力准则及引入能量释放率的拉伸断裂软化损伤（crack softening -CS）破坏准则可以有效解决岩石类材料的动态破坏问题,且可以描述材料全应力-应变破坏过程;3）I-II复合型裂纹SCSCC试件构型在研究岩石裂纹止裂领域具有较大优势。且SCSCC构型是一种大尺寸试样,可以减小岩石非均匀性带来的影响。     

爆破对岩体节理裂隙的影响

利用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ技术模拟岩体的节理裂隙分布的网络结构,从断裂力学的角度出发,分析岩体的节理裂隙的起始扩展和裂纹的止裂,并计算了岩体节理裂隙在爆破作用下的扩展角和扩展量,绘制爆破后的节理岩体的裂隙结构网络图,对研究爆破后岩体的性质具有重要的作用。     

水耦合炮孔毫秒爆破成缝试验研究

为研究煤体微差爆破致裂提高煤体瓦斯抽放效率,本文采用模拟试验方法以导爆管长度精确控制微差时间,完成了单孔和三孔试件相似模拟爆破试验.单孔爆破试验结果表明：复合型切缝药包水介质耦合装药是最佳装药结构;不同微差间隔三孔爆破试验结果表明：合理微差间隔爆破可以形成确定方向裂缝并在其他方向形成一定的微裂纹.     

石材开采爆破劈裂机理及新工艺与新药剂试验研究

本文对石材开采方法进行了分类,用模糊集合理论与方法进行了评定,指出我国石材开采技术发展的重点。著者提出了准静态劈裂成缝爆破的机理,将裂缝的形成分为开裂、扩展与止裂三个阶段,提出了各阶段的模型与判定条件算式。著者提出并试验研究了用半圆套管对成缝方向进行定向控制的新工艺。研制成开采石材荒料的新药剂。经实验室测定与四个采石矿的试用,获得满意效果。     

切缝药包爆破岩石爆生裂纹断面的SEM试验

利用电镜扫描(SEM)切缝药包爆破大理岩爆生裂纹断面形貌,从微观角度探究动载下岩石的定向断裂机理。通过对主裂纹和次裂纹断面上不同区域的观测,发现了河流状、台阶状、根状、鱼骨状、"雾区"状等典型断面形貌,定性的解释了爆炸荷载作用下典型断面形貌的形成机理。研究表明,爆炸荷载作用下,大理岩的微观破坏机制分为拉伸破坏和剪切破坏,爆炸近区多为拉伸破坏,中区、远区有剪切破坏出现;大理岩微观断裂机制是以脆性断裂为主,爆炸近区形成张拉脆性破坏区,远区有较少的塑性破坏;非切缝方向的沿晶断裂较多。     

扩展裂纹的动态COD

利用文献「１」给出的扩展裂纹与路径地匀的Ｊ积分,该积分适用于以任意可变速率扩展的裂纹动力学问题,并推导了Ｊ积分与动态ＣＯＤ及动应力强度因子Ｋ（ｔ）之间的关系,利用Ｊ积分有可能建立适用于裂纹扩展全过程,起裂、失稳扩展及止裂阶段的断裂准则。     

低温冲击环境下的加筋板骨材裂纹扩展分析

针对低温冲击作用下含裂纹船海结构物易呈脆性断裂破坏的问题,选取加筋板单元进行了面外横向冲击载荷作用下裂纹发展路径和断裂规律的研究。构造了骨材裂纹I型和I-II复合型动态断裂的条件,使用局部应力与损伤模型控制裂纹起裂和发展;采用扩展有限单元法进行数值求解。研究表明:本文方法可以很好的预测此类问题中的裂纹发展;研究I型开裂发现,断裂能减小,裂纹扩展速度加快;研究I-II复合型开裂发现,裂纹与骨材垂向中心线距离减小或初始长度增加,裂纹起裂时间变早且整体发展路径偏离裂尖初始方向程度减小。     

基于近景摄影测量法计算掘进 隧洞中切穿顶拱的裂隙面产状

基于近景摄影测量原理,利用掘进隧洞掌子面上裂隙信息,提出了确定裂隙面产状的方法,并通过将被裂 隙所切穿的顶拱曲面沿某一方向拉伸的"曲化平"方法,将弧形线转化成直线,然后应用矢量叉乘确定裂隙面产 状,实现了对切穿顶拱的裂隙面产状的计算。最后,通过算例验证了该方法的可行性。     

双孔切槽爆破裂纹扩展的动焦散实验

应用爆炸加载动态焦散线测试系统,研究了不同切槽方式下,双孔同时起爆时贯穿裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化情况.实验结果表明：炮孔间两切槽方向优先扩展的主裂纹,裂纹尖端并未直接相遇,而是发生偏转并移向异方已经形成的裂纹.裂纹扩展速度先减小,振荡变化后逐渐升高到峰值,随后减小,振荡变化后直至裂纹止裂.应力强度因子KI由初始时的最大值迅速减小,反复振荡后,又逐渐增大至第2个峰值,之后开始减小.定性的分析了应力波与裂纹尖端相互作用机理.     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

薄煤层切顶卸压自动成巷关键参数研究

以嘉阳煤矿3118薄煤层工作面为工程背景,通过现场工程地质条件分析,建立力学模型,推导切缝角度和高度的理论公式,利用数值计算方法,确定预裂切顶合理参数,并分析作用效果.结果表明,薄煤层顶板预裂切缝具有明显的角度与高度效应,合理的预裂切顶参数为预裂切缝角度为20°、孔深4m.研究成果在嘉阳煤矿3118工作面成功应用.为薄煤层切顶卸压自动成巷技术的推广应用提供基础.     

预应力爆破对成缝作用的分析研究

本文提出一种新的预裂爆破方法——预应力爆破。通过静态破碎剂在介质中产生的预应力和爆炸压力的共同作用来实现预裂爆破。文中分析了静态破碎剂所产生的预应力对初始裂纹和扩展方向的控制作用以及对介质强度的降低作用;介绍了预应力爆破模型实验研究。实验结果与理论分析是一致的。