地应力条件下爆破载荷破岩的DDA模拟研究

为探究地应力条件下的岩石爆破破岩特征与机理,基于非连续变形分析(DDA)方法建立岩石爆破力学模拟模型,分别考虑爆生气体压力和爆炸应力波的爆破载荷作用形式,对双向等值和不等值地应力条件下均质岩石的单孔爆破进行数值模拟,研究地应力对爆生气体压力和爆炸应力波破岩效果的影响。结果表明:对于均质岩石,在双向等值初始地应力条件下,爆破裂纹区近似为圆形,其面积随初始地应力的增大而减小,且双向等值初始地应力大小的变化对爆炸应力波的破岩作用影响更大;在双向不等值初始地应力条件下,爆破裂纹区呈扁平形,裂纹主要朝较大压应力方向扩展,且侧压系数的变化对爆生气体的破岩作用影响更大。研究结果对爆破工程实践具有一定的理论参考意义。     

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。     

地应力条件下的凿岩爆破数值模拟

为了研究地应力对凿岩爆破的影响,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下考虑地应力条件时的单孔和多孔凿岩爆破破岩过程。模拟发现,随着初始地应力水平的增加,裂纹扩展半径和破岩区域面积减小,裂纹发育主方向趋于地应力的最大主应力方向,初始地应力对裂纹的抑制和引导作用明显;初始地应力水平的增加,对拉伸裂纹的抑制作用更为显著,从而降低了拉伸破坏对爆破破岩的贡献。模拟也表明,在初始地应力存在的条件下,通过对爆破载荷和炮孔布置进行针对性的优化,可以克服地应力带来的影响,并取得预期的爆破效果。本研究对地应力条件下的凿岩爆破工程具有理论和参考意义。     

地应力条件下的凿岩爆破数值模拟

为了研究地应力对凿岩爆破的影响,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下考虑地应力条件时的单孔和多孔凿岩爆破破岩过程。模拟发现,随着初始地应力水平的增加,裂纹扩展半径和破岩区域面积减小,裂纹发育主方向趋于地应力的最大主应力方向,初始地应力对裂纹的抑制和引导作用明显;初始地应力水平的增加,对拉伸裂纹的抑制作用更为显著,从而降低了拉伸破坏对爆破破岩的贡献。模拟也表明,在初始地应力存在的条件下,通过对爆破载荷和炮孔布置进行针对性的优化,可以克服地应力带来的影响,并取得预期的爆破效果。本研究对地应力条件下的凿岩爆破工程具有理论和参考意义。     

深部岩石爆破主裂纹扩展方向与地应力的关系EI北大核心CSCD

岩石巷道掘进爆破表明,高地应力环境下的岩石破坏与低地应力条件下或浅埋岩体下的岩石破坏有所不同。其中,地应力对爆破主裂纹的扩展方向影响较大。该研究利用一种符合硬岩力学特性的透明模型相似材料,开展双向荷载作用下透明岩石爆破相似模型试验,研究初始地应力作用下岩石爆生裂纹扩展的规律。试验结果表明:具有初始静载作用的试件,其径向主裂纹的扩展由无初始应力时的放射状转变成沿着主应力方向扩展;径向裂纹的扩展长度和数量均随侧压力系数的增加而逐渐减小;最长径向主裂纹扩展方向与最大主应力方向的夹角随着侧压力系数的增大而逐渐增大。同时,基于爆炸力学、弹性力学和应力波理论,建立可定量描述初始地应力与爆破主裂纹扩展方向关系的等式,即tan φ=σ_(x)/σ_(y)(0≤φ≤45°)。由计算式所得主裂纹扩展方向与地应力方向的夹角和物理模型试验所得基本一致,这对理解高地应力条件下岩石爆破破裂机理具有重要的现实意义。     

低渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究

针对低透气性煤层实施深孔预裂爆破过程中爆炸应力波和爆生气体作用下裂纹扩展范围和规律现场难以测量的问题,采用理论和数值模拟相结合的方法,对低渗透煤层进行单孔和双孔预裂爆破数值模拟,得到了不同爆破参数下应力、压力和单位质量塑性功等物理量动态变化规律和裂纹扩展范围,分析了深孔预裂爆破裂纹扩展规律和煤体在高温高压爆生气体及应力波作用下破坏区域的演化规律。炸药在煤体内爆炸的瞬间,产生的压力远大于煤体所能承受的动态抗压强度,煤体被破坏形成爆破空腔,当爆炸冲击波在孔壁上产生初始径向裂隙后,爆生气体楔入裂隙中使其继续扩展,在煤体内形成粉碎区、裂隙区、震动区,揭示了煤层在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。     

不同应力条件下组合孔爆破破岩规律数值模拟研究

深部矿山爆破开采不可避免的受到初始地应力的作用,为探究高地应力下组合孔破岩规律,对初始应力与组合孔爆炸应力联合破岩机理进行分析,开展不同应力作用下组合孔爆破破岩数值模拟研究.结果表明:初始应力对爆破作用的抑制或者促进取决于其与岩石的弹性极限的对比关系,当初始应力小于岩石的弹性极限时,表现为抑制作用,当初始应力大于岩石的...     

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.     

装药结构对切缝药包爆破效果影响的研究

为了研究装药结构对切缝药包爆破效果的影响,采用新型数字激光动态焦散线测试系统和数值模拟相结合的方法,对比分析了切缝管内耦合装药与不耦合装药方式下切缝药包的冲击动力学行为和爆生裂纹的动态力学行为。研究结果表明:切缝药包定向爆破效果显著,爆生主裂纹的扩展形式以拉伸断裂模式为主,爆生气体的楔入作用是裂纹持续扩展的重要驱动力;切缝管和透射压力波均对孔壁造成冲击破坏,在炮孔周边产生与切缝方向成一定角度的"X"交叉型次裂纹和微小的密集裂隙区,耦合装药比不耦合装药所成角度更大,裂隙数量更多;采用不耦合装药结构爆破时,爆生主裂纹的扩展距离更长,扩展速度和动态应力强度因子更大;数值模拟结果显示,不耦合装药结构使得爆轰波对炮孔壁的冲击作用降低,爆生气体的准静态作用加强。与耦合装药相比,能够增大试件在切缝方向的应力集中程度,提高爆生主裂纹的断裂力学参数。     

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。     

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。     

基于流固耦合加载技术的DDA方法

针对目前DDA方法尚没有实现对爆炸荷载耦合加载,而常用的两种爆炸荷载等效加载方法又存在不足的现状,在原DDA程序中引入基于空间网格覆盖判断的耦合加载子程序,并用来模拟集中药包爆破。结果表明:基于网格覆盖判断的耦合技术的DDA方法,能体现岩石爆破中爆生气体和爆炸冲击波共同作用;能实现爆生产物气体对周围岩石介质的准确、持续加载;能体现最小抵抗线对爆生气体作用时间的影响;能够较好地对模拟岩石爆破过程中,爆炸产物气体对孔壁的作用,产物气体在裂缝中泄漏时对裂缝的扩张作用,以及抛掷过程中产物气体对岩块的驱动作用。     

煤体高压空气爆破模拟试验研究

高压空气爆破(high-pressure air blasting, HPAB)是通过瞬间释放高压气体冲击煤体达到增加煤体渗透性的一种物理爆破技术,该研究通过自主研发的高压空气爆破试验系统开展模拟煤体高压空气爆破试验,试验过程中对试块的超声波波速、应变和裂纹扩展速度进行测试,基于试验结果和损伤断裂力学理论揭示了煤体高压空气爆破应力波传播与衰减规律和损伤断裂过程与机理。煤体中高压空气爆破应力波和炸药爆炸应力波的波形特征相同,但高压空气爆破应力波峰值小、作用时间长、脉宽长、衰减慢(α=2-μ/(1-μ))。煤体首先在高压空气爆破应力波作用下产生初始径向裂纹,初始径向裂纹以0.15～0.40倍应力波波速扩展。随后,高压气体、瓦斯气体和远场应力共同作用驱动初始裂纹以0.12～0.14倍应力波波速度稳态扩展,最后远区煤体内部的一系列周期性原生裂纹在弹性应力波、原岩应力和瓦斯气体的共同作用下在小范围内缓慢扩展。     

压气损伤爆破提高块煤率的初步分析

高压气体爆破可以大幅度提高块炭率,为尽量清晰阐明其中的力学原理,从爆破理论的最基本的问题,应力波和爆生气体在破岩过程中所起的损伤作用以及岩石破碎的机理来对其探讨.     

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。     

单向围压作用下切缝药包爆破爆生裂纹扩展规律的研究

为了研究单向围压作用下切缝药包爆破爆生主裂纹的动态力学行为,采用新型数字激光动态焦散线实验系统开展多组爆破光测实验,同时使用LS-DYNA有限元软件分析初始应力对爆炸应力场的影响。结果表明:裂纹的扩展方向和延伸长度受控于切缝角度和压力的共同作用,当压力垂直和平行切缝方向时,分别能够抑制和促进爆生主裂纹的萌生及演化,降低和提升扩展速度及动态应力强度因子,当压力与切缝成一定角度时,主裂纹偏向压力方向扩展,动态力学参数减小。数值分析结果显示,当压力分别垂直和平行切缝方向时,初始围压静加载在环向形成压缩和拉伸预应力,能够降低和提高爆炸冲击在环向的拉伸作用,从而削弱和增强爆炸荷载的冲击致裂能力。     

立井直眼筒形掏槽大块形成机理探讨

通过对直眼筒形掏槽爆破破岩机理的理论分析认为：在岩石条件和装药条件一定的情况下，影响槽腔内爆破大块的主要原因是相邻爆炸应力波的相互作用造成无拉应力区及拉应力降低区和孔间贯通裂隙导致爆炸能量过早逸散。     

爆破应力波的传播及其远区破坏效应研究现状述评

从研究爆破应力波的远区传播机理和确定其破岩效应出发,介绍了爆炸应力波的传播及其破岩效应研究从简单到复杂、从理想化材料到尽可能与现实实际相吻合的材料、从近到远的研究历程,及其各阶段取得成果与不足.认为目前的研究已由过去尽量简化岩性(弹性均质体)和爆源(球状药包),向尽量反应炸药爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展;由以破岩为目的,向爆破后续的安全问题发展.并为研究爆破对保留岩体的影响及其稳定性,提出了今后应加强工作的具体意见.     

岩体爆破成缝的试验研究

本文采用动光弹及电测试验方法,探讨了岩体的爆破成缝过程。研究结果表明:对于均质体,动“静”应力场的迭加作用,使得孔间裂隙最为发育,并伴有裂纹的分叉现象,裂隙的生长从孔壁开始向邻孔连心线方向扩展,爆生气体的高速楔入,加大了裂隙的破坏,最终贯穿成缝。对于非均质体,结构弱面的存在,将在不同程度上衰减爆炸应力波的传播及断裂裂纹的进一步生长,并最终影响岩体的爆破成缝。