轴向不耦合装药结构形式优化仿真研究

为了改变某隧道平导爆破效果差、爆炸能量利用率低的现状,采用ANSYS/LS-DYNA模拟不同轴向不耦合装药结构形式对爆破效果的影响,优化装药结构,以期达到增强爆破效果,降低粉尘量和岩石大块率的目的。合理的选择数值模拟中的材料模型和算法,是高效模拟分析轴向不耦合装药结构爆破的关键,因此采用ALE算法对孔口空气填塞不耦合,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合,孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合,孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合,孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合和孔口炮泥填塞与中、上部水介质间隔不耦合的装药结构进行数值模拟,并以爆炸应力波云图和最大拉应力来评价炸药爆破效果。数值模拟结果表明:水介质可以降低炮孔壁附近岩石的压力。装药长度1.25m时,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合装药结构较孔口空气填塞不耦合装药结构,能提高爆炸能量的利用率;孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合装药结构和孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合装药结构,爆炸能量利用率基本相同;孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合装药结构的炸药爆炸能量利用率较其余5种装药结构都大,能提高爆炸应力波对岩石的作用,使得爆炸应力波更加均匀作用于岩体,降低大块率产生。此数值模拟结果可为现场爆破方案设计与实施提供依据。     

水封爆破装药结构优化数值分析及其应用

以温泉隧道为研究背景,从应力、振速变化、动态损伤以及爆后粉尘的角度对药柱上部水间隔、两端水间隔和下部水间隔三种装药结构进行模拟分析,选取最优结构用于工程施工。研究结果表明:(1)药柱底部水间隔装药结构易造成孔口围岩破碎导致爆炸气体流出,降低爆破效果;药柱上部和两端水间隔装药结构爆炸应力持续时间较长,有利于围岩破碎,其中药柱两端水间隔装药结构底部存在水介质,对孔底围岩起到保护作用;(2)采用两端水间隔装药结构能够同时降低炮孔两端围岩振速和所受应力,减少炸药能量流失,使其充分作用于围岩进行破碎,降低炸药单耗;(3)药柱上部水间隔装药结构对孔口围岩损伤最小,导致爆破后岩石块度较大;药柱底部水间隔装药结构形成的整个损伤区域最小,采用这种装药结构炸药单耗偏高;药柱两端水间隔装药结构形成的损伤区域规整,爆破后岩石块度最小;(4)三种装药结构中,下部水间隔结构爆后粉尘浓度最高,两端水间隔装药结构爆破后粉尘浓度稍高于上部水间隔装药结构,但是相差不大,而两端水间隔装药结构的爆破效果要优于上部水间隔装药。综上所述,药柱两端水间隔装药结构最优,可用于工程施工。综上所述,药柱两端水间隔装药结构最优,可用于工程施工。     

PVDF薄膜传感器用于测试块状岩石表面爆炸应力的研究

采用PVDF（聚偏二氟乙烯）薄膜传感器对岩石表面爆炸应力进行测量,并分析炮孔内不同填塞介质对爆炸应力波在岩石介质中传播的影响。在直径为28 mm、孔深为25 cm的炮孔内填塞不同的介质（空气、水或沙子）,采用不同的装药结构分别进行爆破试验,通过PVDF薄膜传感器得到了不同工况下岩石表面应力波时程曲线。分析炮孔内不同填塞介质对爆炸应力波透射的影响发现,水作为炮孔填塞介质时,爆炸应力波透射能力强,炸药爆炸产生的能量用于岩石破碎的比例高。水作为炮孔填塞介质时,为达到岩石开裂效果,装药结构设计为1发8^#雷管加2 g传爆药（聚黑-14）;当沙子作为炮孔填塞介质时,为达到岩石的开裂效果,装药结构设计为1发8^#雷管、2 g传爆药（聚黑-14）和20 g炸药（聚黑-2）;前者炸药用量仅为后者的15.3%。炸药使用量减少,也降低了爆破次生危害的影响程度。用PVDF薄膜传感器在岩石表面直接测量爆炸应力的方法是可行的。     

孔底惰性介质间隔装药爆破实验

为减少岩石大块率和粉碎率,增强爆破效果,采用LS-DYNA数值模拟的方法对连云港核电扩建山体爆破工程爆破碎石的力学过程和能量利用率进行了理论分析,并通过对各模型进入岩石总能量峰值的对比,分析了孔底惰性介质间隔装药对能量利用率的影响趋势,然后依托工程开展全尺寸实验。实验结果表明:孔底适量惰性介质间隔装药可以改善应力波的传播条件,使爆炸能量更均匀、充分地传入岩石中,使岩块的破碎效果得到有效改善;实验工况下,孔底间隔80、100cm空气柱,炸药单耗分别下降11.5%、13.5%;孔底间隔80、100cm水柱,炸药单耗分别下降17.3%、19.2%。     

孔底惰性介质间隔装药爆破实验

为减少岩石大块率和粉碎率,增强爆破效果,采用LS-DYNA数值模拟的方法对连云港核电扩建山体爆破工程爆破碎石的力学过程和能量利用率进行了理论分析,并通过对各模型进入岩石总能量峰值的对比,分析了孔底惰性介质间隔装药对能量利用率的影响趋势,然后依托工程开展全尺寸实验。实验结果表明:孔底适量惰性介质间隔装药可以改善应力波的传播条件,使爆炸能量更均匀、充分地传入岩石中,使岩块的破碎效果得到有效改善;实验工况下,孔底间隔80、100cm空气柱,炸药单耗分别下降11.5%、13.5%;孔底间隔80、100cm水柱,炸药单耗分别下降17.3%、19.2%。     

深孔间隔装药爆破对不同孔壁介质的影响

数值模拟研究了岩石、混凝土和土三种不同孔壁介质深孔间隔装药爆破时的扩孔特征、压力场、应力场、速度场和能量分布及传播衰减规律,还分析了间隔介质(空气和水)和起爆方式等对孔壁介质中冲击波传播规律的影响。研究表明:由于岩石、混凝土和土三种孔壁介质的波阻抗和可压缩性不同,导致爆破后分别形成"狼牙棒"型、"纺锤"型和"圆柱"型三种爆腔。与岩石和混凝土相比,在土体中的扩孔宽度分别提高约60%和约45%,土能缓解孔壁压力和等效应力、降低爆破振动效应、减缓爆炸冲击波的衰减速度和提高能量利用率,而在岩石和混凝土介质中,上述效果的差异性不太明显。与水间隔装药相比,在岩石和混凝土孔壁介质中采用空气间隔装药结构能降低约7%的孔壁压力。在岩石和混凝土孔壁介质中,采用底部起爆方式能够提高炸药的能量利用率,中部起爆方式能够减缓爆破振动效应,而在土体中并不明显。     

深孔间隔装药爆破对不同孔壁介质的影响

数值模拟研究了岩石、混凝土和土三种不同孔壁介质深孔间隔装药爆破时的扩孔特征、压力场、应力场、速度场和能量分布及传播衰减规律,还分析了间隔介质(空气和水)和起爆方式等对孔壁介质中冲击波传播规律的影响。研究表明:由于岩石、混凝土和土三种孔壁介质的波阻抗和可压缩性不同,导致爆破后分别形成"狼牙棒"型、"纺锤"型和"圆柱"型三种爆腔。与岩石和混凝土相比,在土体中的扩孔宽度分别提高约60%和约45%,土能缓解孔壁压力和等效应力、降低爆破振动效应、减缓爆炸冲击波的衰减速度和提高能量利用率,而在岩石和混凝土介质中,上述效果的差异性不太明显。与水间隔装药相比,在岩石和混凝土孔壁介质中采用空气间隔装药结构能降低约7%的孔壁压力。在岩石和混凝土孔壁介质中,采用底部起爆方式能够提高炸药的能量利用率,中部起爆方式能够减缓爆破振动效应,而在土体中并不明显。     

基于炮孔不同耦合介质的孔壁爆炸载荷及比能时间函数分析

为从炮孔装药耦合介质的选取上改善爆破效果和控制爆破振动危害,应用爆炸力学的相关理论建立耦合装药、不同耦合介质（水、空气、泥土）装药条件下孔壁爆炸载荷和透射比能的计算方法,通过MATLAB编程计算得到岩石介质中炮孔孔壁爆炸载荷和透射比能的时间函数并作图比较分析。研究表明：耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值最大,但是衰减也最快;水不耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值次之,但衰减速度最慢,作用时间最长;水不耦合装药时,孔壁透射比能量最大,耦合装药时次之;空气和泥土不耦合装药孔壁爆炸载荷与透射比能均较小。因此水不耦合装药提高了能量利用率,更有利于改善爆破效果,但产生的爆破振动强度大、作用时间长,不利于爆破振动危害控制。     

石灰岩在爆炸载荷作用下的破坏机理试验研究

为了探讨岩石在爆炸载荷下的力学特性和破坏机理,采用耦合填塞装药、耦合无填塞装药和不耦合填塞结构模拟了爆炸应力波和爆生气体的不同加载强度,在石灰岩中进行模拟爆破试验,对爆炸应变波及其参数、以及爆破后岩石内部的声波速度进行了测试.基于模拟爆破试验结果,对石灰岩的力学特性和爆破损伤程度进行了分析,得到了岩石在不同爆破条件下的爆破损伤和破坏规律.     

隧道掘进周边孔间隔装药结构选取及优化

在隧道掘进施工过程中采用水间隔装药爆破时,炮孔中同时存在空气和水两种间隔介质,其形成的爆炸应力相比单一空气间隔要复杂.为了选取合适的装药结构并确定合理的爆破参数指导现场施工,以温泉隧道为工程背景采用数值模拟的方法对周边孔水间隔和空气间隔装药爆炸应力进行模拟分析,然后选取合适的装药结构进行参数优化,最后通过现场试验进行验...     

水介质不耦合装药爆破岩石破坏范围的研究和应用

根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论,探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布,并以强度理论求算出了炮孔周围岩石中粉碎圈和裂隙圈的范围。在某立井掘进爆破中依据炮孔周围裂隙圈半径理论计算的结果进行掏槽炮孔布置参数设计,从工程实践上进一步验证了炮孔水介质不耦合装药爆破时岩石破坏作用范围理论分析的正确性。     

不耦合系数对水下爆破破岩效果影响的数值分析

为了探究水下岩石爆破中水对爆破效果的影响,应用数值模拟的方法对单孔水不耦合装药爆破模型结构下不同不耦合系数(K=1.21、1.28、1.35、1.44)和双孔爆破模型不同炮孔间距(240、280、320、360 cm)的爆破作用效果进行数值模拟。结果表明：当不耦合系数K为1.21时,孔壁和炮孔周围的峰值应力最大且测点随着距离药柱的水平距离增大测点的峰值应力呈指数函数的形式衰减。水不耦合装药具有使岩体受力均匀、作用时间较长、应力衰减较少的特性且能量的传递效率更高的优点。应力云图表明越靠近孔心,水不耦合装药提高单元的峰值应力的越强。当水下爆破的岩石为强度较高的微风化英安岩,为了使岩石破碎,需要确定炮孔间的最优的炮孔间距,以达到最优的爆破效果,通过数值模拟确定炮孔间距为280 cm时,炮孔连心线处有效应力峰值可达到75 MPa以上,可以使岩石破碎,为最大的炮孔间距。数值模拟为实际的水下爆破工程提供理论依据。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

孔底空气间隔装药增强破碎作用研究

为研究孔底空气间隔装药增强破碎作用，基于激波管原理以及应力波在不同介质的反射与透射理论，对孔底空气间隔装药结构对应5个反射与透射面上应力波的传播作用过程进行了详细分析。采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对连续装药结构以及不同空气层比例的孔底空气间隔装药结构进行数值模拟分析，数值模拟结果与理论分析相符。以孔底岩石能够出现明显的多个加载卸载过程以及岩体损伤范围能够覆盖整个空气间隔段作为判断依据，孔底空气间隔装药结构的最佳空气层比例为20%～30%。对不同空气层比例的现场钢管模拟试验结果表明：空气层比例为20%～30%的孔底空气间隔装药结构爆破效果最佳，出现明显钢管鼓包现象、爆后钢管残留率小、0～20 cm深度的岩体爆破损伤最大。     

空气间隔径向不耦合装药条件下柱状药包的破岩机理研究

从空气间隔径向不耦合装药条件下岩石破坏机理方面入手,通过对冲击波、应力波的能量和爆生气体膨胀的能量利用的研究,分析空气间隔不耦合装药爆破的特点,进一步研究因不耦合系数不同,影响岩石裂隙区裂纹总长和平均长度的决定性因素,并由此推导出了炸药周围空气层"储能"的计算公式.     

装药结构对爆破振动能量传递的影响研究

针对某石方钻爆工程单耗大、临近建(构)筑物振动响应较大问题,现场进行了连续耦合装药、径向不耦合装药、中部空气间隔装药及水不耦合装药的四组爆破试验。将测得的试验数据进行基于CEEMDAN的光滑降噪模型去噪,以各频带与原始信号的相关系数及均方误差为指标,筛选出优势分量,通过计算其能量值来判断4种装药结构下爆破振动的破坏力大小,并且对比分析了4种工况下岩体爆破块度,结果表明:空气不耦合装药爆破振动速度-时程曲线携带的能量最小、破坏力最小,水不耦合装药次之,但水不耦合装药爆破能有效降低岩石大块率及粉尘危害。     

油母页岩爆破粉矿率的控制技术

为降低油母页岩的爆破粉矿率,提高资源利用率,抚顺东露天矿在油母页岩爆破施工中,通过控制炮孔密集系数、采用孔底和上部空气间隔装药结构、减小填塞长度、孔内外延时起爆技术进行爆破试验,利用Split-Desktop 3.1图像分析软件进行爆破效果分析。结果表明:三角形布孔孔底0.6 m和上部2.6 m的空气间隔装药结构粉矿率较低;三角形与正方形布孔对比正方形最低。该区域的油母页岩体可采用正方形布孔、起爆密集系数为2、孔底0.6 m和上部2.6 m的空气间隔装药结构进行爆破。     

分层装药爆破间隔填塞长度优化研究

分层装药爆破在工程中应用广泛,其具有良好的爆破减振和提高孔口堵塞段破碎等效果。但是在实践中,合理的中间填塞长度选择一直缺乏依据。通过有限元软件LSDYNA对90 mm孔径6 m深的炮孔分别建立中间填塞段长度为25~105 cm的五个模型,上、下药包装药量固定,耦合装药,以爆破损伤以及单元所受最大拉应力两个指标来分析填塞段长度对分层爆破效果的影响。结果表明:中间填塞长度过短,能量集中作用于中间段,会导致岩石过于粉碎;中间填塞长度的增加,孔口堵塞段岩体破碎效果也随之改善,填塞长度105 cm和25 cm相比,地表处单元所受最大拉应力增加了约1倍,但中间段破碎效果弱化;当中间填塞段长度为85 cm时,中间填塞段岩体和上部岩体均有较好的破碎效果;通过振动分析,中间填塞长度变化对离炮孔较远区域爆破振动的影响较小。基于数值模拟结果的工程试验表明,最佳中间填塞段长度为85~95 cm,较数值模拟结果稍大。     

不同耦合介质下脆性材料断裂行为研究

为了分析不同耦合介质装药结构下脆性材料的爆破机理问题,通过实验室试验及数值模拟方法对水耦合装药和空气耦合装药爆破效果以及裂纹扩展机理进行研究。在实验中,试件材料采用透明均匀的PMMA(有机玻璃),炸药采用DDNP(二氮烷基苯酚),利用高速摄像机观察压裂和裂纹传播过程,然后从定量和定性两方面对不同耦合介质装药爆破下裂纹传播行为进行分析。观察实验过程以及数值模拟软件LS-DYNA分析结果表明,可以得到空气耦合介质下,试件炮孔周边次生裂纹少,裂纹分叉现象较少,形成规则的贯通裂隙。相比于空气耦合,水耦合介质条件下,炮孔周围形成规则不一的裂纹,破碎区直径增大,横向裂纹增多,对孔壁产生的压力较均匀,破碎效果好。同时在数值模拟分析中得出不同耦合介质装药结构下脆性材料的爆破应力云图和v-m时程曲线图,得出水耦合装药爆破可以获得更高的孔壁初始压力,且对孔壁产生的压力较为均匀,爆破的破碎效果更好。