煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨

在对煤层深孔聚能爆破致裂分区研究的基础上,针对聚能爆破煤层裂隙扩展特征及范围进行了数值模拟研究.结果表明,炮孔周围可划分为爆破压碎区、爆破裂隙区和弹性变形区,根据裂隙类型及裂隙数目的差异,爆破裂隙区又可划分为裂隙密集区和主裂隙扩展区.受聚能装药结构的影响,压碎区的范围呈聚能罩开口方向小于其他方向的类椭圆状;裂隙密集区和主裂隙扩展区的范围均呈聚能罩开口方向大于其他方向的类椭圆状.煤层深孔聚能爆破致裂增透工程试验发现,随着远离炮孔,各个观察孔内瓦斯体积分数增幅受聚能爆破的影响呈"强-中-弱"阶梯状变化,与所构建的聚能爆破致裂分区模型比较一致,即聚能爆破载荷下煤层裂隙具有明显的分区特征,压碎区、裂隙密集区和主裂隙扩展区组成了煤层深孔聚能爆破的有效致裂范围.     

高温后花岗岩渗透性及其演变规律试验研究

高温处理对于花岗岩渗透性影响显著,高温后花岗岩的渗透性与其经历的温度、所处的应力状态密切相关。采用压力脉冲衰减法,对高温(100℃～600℃)后花岗岩不同应力状态下的渗透率进行试验研究,在此基础上分析花岗岩宏细观物理力学性质随温度的变化规律,以及高温后花岗岩渗透性随体积应力、孔隙压、有效应力的演变规律。研究结果表明:(1)高温处理后花岗岩渗透率随经历温度呈逐渐增大趋势,500℃以内渗透率增加幅度较小,500℃～600℃花岗岩渗透率会发生一个阶跃性变化;(2)相同高温处理后花岗岩的渗透率随体积应力增大呈现减小趋势,且减小幅度在逐渐变小,相同体积应力下,花岗岩的渗透率随着孔隙压增大而增大;(3)高温后花岗岩渗透率与有效应力呈负指数关系,且渗透率随着有效应力的增大而减小;(4)拟合获得了600℃内高温处理后花岗岩渗透率与温度、有效应力的关系式。研究结果可为干热岩地热人工热储建造提供理论依据和技术支持,丰富和发展了高温岩石力学内涵。     

水耦合装药爆破破岩机理的数值模拟研究

根据爆轰动力学和弹性波理论,分析了推算出水耦合装药爆破炮孔周围岩石中粉碎区和裂隙区半径,并用工程计算实例和ANSYS／LS—DANA数值模拟方法分析了装药不耦合系数对岩石破坏范围的影响。提出了炮孔水耦合炸药爆破在岩石中形成粉碎区时不耦合系数的计算方法,为光面爆破、预裂爆破装药结构参数的确定提供理论依据。     

煤岩HJC模型参数确定及液态CO_2爆破特性研究

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型在冲击爆炸工程数值模拟中广泛应用。为了探寻煤岩体合理的模型参数,确定液态CO_2爆破的实际效果和致裂范围,以陕北神木某矿区CO_2爆破开采为依托,由静力学特性试验和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击试验得到该矿煤岩的基本物理力学参数;运用正交实验法,采用基于LS-DYNA3D平台的数值模拟方法再现了SHPB冲击压缩试验的全过程,用Person相关系数判定试验与模拟应变信号的吻合度,反演得到HJC模型的主要敏感参数B和N;引入*MAT-ADD-EROSION失效条件,采用抗压、抗拉失效准则,真实再现CO_2爆破中裂纹萌生、扩展、贯通直至形成裂隙区的全过程,较好地模拟了爆破冲击岩体的碎裂特征,有效反映工作面煤岩体的几何非线性特性;对比分析了液态CO_2爆破和原始炸药爆破的裂纹扩展特征及爆破效果;研究了液态CO_2爆破应力波衰减规律,给出压碎区和裂隙区的范围。结果表明:液态CO_2爆破应力波衰减及能量释放过程较为持续平缓,在裂隙区主要产生细长型裂纹,裂隙区面积远大于炸药爆破;相同当量下,液态CO_2爆破范围大于炸药爆破范围,且CO_2爆破压碎区面积减小、裂隙区面积增大,煤岩主要表现为块状破碎。将研究结果应用于该矿区CO_2爆破开采工业性试验中,考虑4个致裂器同时作用,采取方形布孔方式,计算确定爆破孔距及排距均为0.7 m,试验结果表明,实际爆破效果良好,块煤率较炸药提高了38.5%。     

空气不耦合装药爆炸应力场的理论与试验研究

空气间隔不耦合装药结构已在光面爆破中得到广泛采用。实践证明,随着不耦合系数的增大,炮孔附近的破碎区迅速减小。可减弱炸药对炮孔壁上的压力,同时减小使岩石过粉碎的能量,使炸药爆炸的能量得到充分利用。它还具有一定的贮能作用,将炸药爆炸的一部分能量转化为势能和动能,最后以静压的形式释放出来,进一步加强了静压对岩石的破坏作用。本文通过对空气不耦合装药条件下应力场的衰减规律及孔壁初始冲击压力等理论分析,并结合实验室模型试验得出了应力峰值的变化与不耦合系数的函数关系。     

青海共和盆地花岗岩高温热损伤力学特性试验研究

青海共和盆地花岗岩高温热损伤力学特性的研究,对于青海共和干热岩地热示范工程的顺利实施具有重要意义,可为干热岩钻井工程、人工热储的设计与施工提供有关岩石热损伤力学参数。采用宏观力学试验方法,结合显微CT扫描,对取自青海共和盆地的花岗岩热损伤的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度,以及高温状态花岗岩试件自然冷却降温、裂隙生成进行研究。在试验测得高温热损伤花岗岩的抗压强度、弹性模量、抗剪强度、抗拉强度数据基础上,拟合获得抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角随温度变化的经验公式,建立热作用下花岗岩剪切破坏强度准则。同时揭示了温度对青海共和盆地花岗岩脆性-延性转变的影响,发现温度在500℃～600℃时,延性特征表现突出;降温速率与花岗岩的热破裂裂隙密度密切相关,花岗岩在空气中自然冷却过程中,前400 s降温速率最大,形成的温度梯度也最大,特别是前150 s,热破裂最剧烈。研究结果可为我国干热岩的开发与利用提供理论依据与技术支持,丰富和发展高温岩石力学理论。     

高温与爆炸作用下轻钢柱动力响应与破坏模式数值分析

采用有限元数值分析方法,研究高温与爆炸荷载联合作用下轻钢结构柱的动力响应与破坏模式规律,在分析中考虑不同火灾温度与不同爆炸冲击荷载峰值,以及在相同爆炸荷载峰值下不同冲击荷载峰值出现时间等参数的影响。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立实体轻钢柱模型,根据欧洲规范3建议的升温曲线及不同温度条件下材料性能参数,确定钢材的弹性模量、剪切模量、屈服强度等参数。选定在特定温度点对钢柱施加爆炸荷载,分析时考虑应变率效应。数值分析结果表明:相同爆炸荷载作用下随着火灾过程中温度的升高,轻钢柱跨中变形增大,轻钢柱的损伤更明显;相同爆炸荷载峰值作用下爆炸荷载峰值出现时间越小,轻钢柱跨中变形越大;在高温下发生爆炸轻钢柱的变形要比常温的明显,由于高温使轻钢柱的材料性能急剧降低,使高温和爆炸荷载作用下的轻钢柱破坏模式明显不同于常温下的破坏模式。     

高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1 000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明：试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面：在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

爆炸荷载下缺陷岩体的动态响应

 根据试验结果建立在爆炸荷载下含缺陷岩体的接触爆破模型,所考虑的缺陷为孔洞、孔隙和微小的张开型节理等,并考虑2种情况,一是缺陷含有水,另一种是空缺陷。依据现有花岗岩的试验结果,通过拟合得到其冲击状态方程,并将其应用于炸药附近的花岗岩,而对于远离炸药的花岗岩,采用线性状态方程,并采用改进的主应力破坏准则来确定花岗岩的破坏状态。根据试验结果,将花岗岩的动态强度设计成随应变率变化的变量。模拟结果表明,在爆破荷载下,当缺陷内含有水时,岩体的动态强度降低;缺陷密度越大,其岩体的破坏范围越小;巷道附近的爆破会在巷道自由表面处产生层裂裂纹,结合巷道挖掘过程中产生的径向裂纹,巷道的围岩会被切割成很多块体而发生剥落,进而可能导致岩爆。     

高温三轴应力下裂隙后期充填花岗岩渗透特性试验研究EI北大核心CSCD

进行花岗岩母岩(I类花岗岩)、热液充填体(II类花岗岩)、A类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面横向贯通试样,III类花岗岩)和B类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面纵向贯通试样,IV类花岗岩)高温三轴应力下的渗透特性研究。得出I,II,III及IV类花岗岩渗透率随温度变化的阈值温度分别为300℃,200℃,300℃和250℃。低于阈值温度时,4类花岗岩渗透率变化不大;高于阈值温度时,4类花岗岩渗透率分别快速提高了1,3,2及3个量级,其中II,IV类花岗岩渗透率量级在450℃以上达到10-1 mD。利用显微光度计观测了裂隙后期充填花岗岩的细观结构及其在高温作用下热致裂缝数量的变化。发现300℃后长度大于200μm的大裂缝的贯通是导致I,III类花岗岩渗透率增加的原因;充填体因溶蚀作用所具有的较低的强度及劣化的力学性能是致使Ⅱ,IV类花岗岩渗透率大幅超过I,III类花岗岩的主要原因。通过水岩热对流模型分析可知,在裂隙后期充填花岗岩内进行储层建造将大幅缩减施工成本、增加储层水岩换热面积及提高热交换效率,为深层干热岩地热开采提供新的技术及理论思考。     

爆炸应力波引起地表位移的数值分析

将爆孔围岩粉碎区简化为一个圆形孔洞,将半空间表面假定一个半径为无穷大的圆弧,则爆炸应力在粉碎区表面产生向外传播的P波(压缩波),在半空间表面产生散射,而散射波在粉碎区上再次产生散射,如此多次散射,进而引起半空间表面的位移。根据粉碎区周边应力平衡和半空间表面完全自由的边界条件,求得了待定散射系数,并进一步得到了半空间表面的位移的理论解答。最后通过数值计算分析了不同爆炸应力峰值和爆炸源埋深对地表位移的影响,结果表明:(1) 在爆炸源埋深和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸应力峰值的增大,地表振动位移明显增大,增大的数值基本上与爆炸应力峰值成线性比例;(2) 在爆炸应力峰值和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸源埋深的增大,地表处水平位移和竖向位移明显减小,但减小的幅度由快变缓。     

高强砂浆材料爆炸作用下破坏分区试验研究

选用高强砂浆材料模拟同等强度岩石介质,开展TNT炸药在内部不完全封闭爆炸条件下对模拟岩石介质破坏效果的研究,采用宏观现象分析、钻芯取样及理论计算的方法确定破坏分区范围。结果显示:配制的高强砂浆材料强度可达105.6 MPa,能够模拟中等强度以上岩石介质;TNT炸药爆炸作用下高强砂浆模拟岩石介质分为粉碎、压碎、裂隙和弹性等4个区域,其范围与钻孔装药的尺寸参数有关;粉碎区半径约为钻孔装药半径的2.2倍,压碎区半径约为5.2倍,裂隙区半径约为32倍;3种分析方式结果相当,试验能够较真实地反映高强砂浆模拟岩石介质钻孔装药爆炸后的破坏情况。     

低温热力耦合下岩体椭圆孔(裂)隙中冻胀力与冻胀开裂特征研究

寒区岩体工程含水孔(裂)隙中低温水冰相变会产生冻胀力与温度应力,岩体冻融损伤与断裂是由温度应力和孔(裂)隙中的冻胀力共同作用的结果。考虑温度应力对椭圆孔(裂)隙形变的影响,推导了椭圆孔(裂)隙中的冻胀力解析方程;基于最大拉应力准则,得到了低温热力耦合下椭圆孔(裂)隙周围最大拉应力与冻胀开裂角,建立了椭圆孔可简化为椭圆裂隙进行冻胀计算的临界条件;最后采用改进的等效热膨胀系数方法对隧道单裂隙围岩冻胀力与裂隙尖端应力场进行了数值分析。研究结果表明:(1)椭圆孔中的最大冻胀力与岩石的热膨胀性、裂隙倾角和裂隙长短轴比χ等因素有关;(2)长短轴比χ≥10的扁平椭圆孔可简化为裂隙进行计算分析,此时冻胀基本发生在裂隙尖端且尖端拉应力集中明显;(3)改进的等效热膨胀系数方法可以很好的模拟裂隙中的冻胀力与裂尖应力场。     

不同温度循环冷却作用后花岗岩巴西劈裂特征及其物理力学特性演化规律研究

干热岩地热开发中,井筒钻进及热储层的热交换都涉及高温岩体受不同程度的冷热循环,导致井筒破裂失稳或热储层破裂程度增加,为了揭示其机制,采用岩石力学试验机并结合声发射监测系统,研究不同温度循环作用后花岗岩的纵波波速及巴西劈裂破坏过程。结果表明:(1)随着温度循环次数的不断增加,2种冷却作用下花岗岩所对应的抗拉强度均逐渐降低,遇水冷却循环作用后花岗岩的抗拉强度要低于自然冷却状态下花岗岩的抗拉强度,且花岗岩在高温高循环次数下的劣化程度较为明显,当温度大于500℃时,花岗岩试样的表观颜色逐渐变为土黄色,试样逐渐由脆性向延性转化。(2)根据温度可以将花岗岩的破坏特征分为3个阶段,在低温阶段(100℃～200℃),试样均沿着巴西圆盘中心线发生破裂;中温阶段(300℃～400℃),试样沿着与直径呈一定角度破裂;高温阶段(500℃～700℃),试样破裂模式复杂,较为破碎。(3)低温阶段时的花岗岩随温度循环的变化其纵波波速、强度特征以及变形均变化较小;当试样处于中、高温度阶段时,随循环次数的增加其强度、波速等各项参数衰减幅度逐渐增大。研究结果可为地热开发中井筒破坏失稳及热储层岩体的破裂模式提供理论参考。     

岩石高温相变与物理力学性质变化

 岩石内部结构随温度升高的变化会导致其物理力学性质的改变。利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验。研究结果表明：(1) 岩石物理力学性质随温度变化可划分常温～100 ℃和100 ℃～300 ℃,300 ℃～500 ℃,500 ℃～600 ℃,600 ℃～800 ℃五个阶段;前3个阶段的温度范围分别对应岩石内附着水、结合水和结构水汽化逸出的温度区间。(2) 岩石物理力学性质(抗压/抗拉强度,渗透率,波速等)在400 ℃～600 ℃的温度范围内会有显著变化;受石英由? 相变为? 相的影响,岩石体积增大,微裂隙大量增加,在573 ℃附近存在强度和波速下降的加速点。(3) 温度大于600 ℃后,岩石强度和波速会继续降低,其与固体矿物膨胀和金属键断裂引起矿物熔融破裂及相变有关。     

基于LS-DYNA的预裂爆破硬夹矸弱化技术研究

基于预裂爆破对含硬夹矸特厚煤层综放开采顶煤冒放性的重要作用,建立了夹矸破断的非均布载荷悬臂梁力学模型,得出了夹矸层位、厚度对悬臂梁破断的力学作用机理。同时,结合金庄矿含硬夹矸特厚煤层实际条件,采用柱状空腔膨胀理论对爆破产生的破碎区、裂隙区及弹性震动区分别进行了计算分析。在此基础上,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件,对柱状炸药与孔壁间是否耦合的装药方式、炮孔与硬夹矸的不同相对位置及四种炮孔布置与起爆方式条件下的爆炸应力波传播规律和爆破能量的衰减特性等进行了数值模拟研究,得到顶煤深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优爆破方案。结果表明:该矿夹矸平均悬臂距l为6.5 m,硬夹矸内单孔有效破坏直径为6.2 m,不耦合装药、炮孔布置于夹矸层内、按排布孔延时起爆是深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优方案。     

基于断裂模拟的高温下角焊缝接头承载性能研究

为准确预测火灾高温下正面角焊缝焊接接头的承载性能,结合已有高温下钢结构正面角焊缝焊接接头的拉伸试验数据,采用有限元数值分析方法,对20~700 ℃下20个焊脚尺寸均为12.7 mm的角焊缝焊接接头的断裂模式与实际承载性能进行研究。拟合高温作用下适用于断裂模拟的焊材熔敷金属真实应力-应变关系,标定高温下适用于焊材熔敷金属的剪切断裂模型材料参数,采用试验获得的荷载-位移曲线、断裂破坏模式以及AISC 360-10中的承载力计算方法对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：高温作用下角焊缝焊接接头的断裂位置多发生在焊缝区,断裂从焊根部分开始并随荷载的增大向焊脚位置扩展;接头的极限承载力随着温度升高而减小,高温下接头的极限承载力可由断裂面面积及焊材抗拉强度确定;接头在高温作用下（大于500 ℃）的变形量超过5 mm,约为常温作用下的5倍;焊材的剪切断裂模型参数是其抗裂性能的重要参数,也是相应的焊接接头构件变形能力的重要指标,在高温作用下（大于500 ℃）,焊材断裂参数是其常温作用下的4.5倍。     

柱状炮孔端部爆生裂纹动态扩展力学行为研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值分析方法,研究单柱状炮孔、同时起爆的不同间距双柱状炮孔端部爆生裂纹动态断裂行为及周围应力场分布,明确炮孔端部裂纹的扩展规律。结果表明:较之单孔爆炸,双孔爆炸产生的应力场在炮孔间叠加,使炮孔间更易形成径向裂纹,增大炮孔间的破碎程度,单孔端部裂纹的扩展速度及应力强度因子介于双孔内侧与外侧端部爆生裂纹之间;双柱状炮孔端部近端垂线方向上,炮孔间以压应力为主,对相邻炮孔爆生裂纹的相向扩展具有抑制作用,随炮孔间距减小,裂纹止裂越早、扩展长度越短;双柱状炮孔端部外侧远区,在t=0～90μs,孔间和孔外在爆炸应力波叠加作用下表现为拉压交替变化的特征,随后主要表现为拉应力,炮孔外侧端部爆生裂纹曲裂程度大,具有短暂的"止裂"到再起裂阶段,随炮孔间距减小,曲裂发生时间越早,"止裂"到再起裂时间提前,裂纹长度无显著变化,但均大于单孔端部爆生裂纹长度。     

高温4 000 m静水压力下钻进过程中花岗岩体变形特征

为从高温岩体中提取热能,需向热能储层花岗岩层中施工深部钻孔,钻孔的稳定性将影响钻井施工的进展,但钻孔的稳定性又受其围岩变形的影响.因此,为研究高温高压下钻孔围岩的变形特性,利用中国矿业大学600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,模拟研究4 000 m静水压力下,不同温度时钻孔施工过程中花岗岩体的变形特征,结果表明:(1) 恒温恒压下花岗岩体钻进过程中的变形呈现明显的蠕变特征,轴向和侧向变形均具有完整的初始蠕变和稳态蠕变;(2) 不同温度下钻进过程中花岗岩轴向和侧向变形量随温度的增加而增大,且存在温度阈值,为150 ℃～300 ℃;(3) 4 000 m静水压力下花岗岩体钻进过程中,300 ℃时开始出现明显的加速蠕变过程,500 ℃时产生蠕变破坏.