瓦斯积聚范围对独头巷道瓦斯爆炸冲击波破坏特征与传播规律的影响

为研究独头巷道内不同长度瓦斯积聚区的爆炸特征,运用计算流体力学软件FLACS进行了数值模拟,对比了瓦斯爆炸超压及正压冲量等参数及其在巷道内的分布情况,分析了瓦斯积聚范围对爆炸冲击波破坏特征的影响规律,研究了独头巷道内不同长度瓦斯积聚区爆炸冲击波与火焰相互作用的特点。研究结果表明:随着独头巷道内瓦斯积聚范围的增大,爆炸冲击波破坏特征会发生突变,最大爆炸压力阶梯式增大,瓦斯积聚范围超过某一临界值后,最大爆炸压力出现位置从巷道封闭端向开放端转移;最大爆炸冲量先单调增加而后趋于稳定,最大爆炸冲量位置始终处在巷道封闭端;回传稀疏波对火焰的加速作用是导致巷道近开放端爆炸超压突增的主要原因。     

障碍物对爆炸冲击波传播特性的影响研究

采用数值模拟手段建立了有无障碍物条件下的巷道爆炸分析模型,分析了爆炸冲击波在巷道内的传播特性及其变化规律,并结合空气超压对人体的伤害程度分类,研究了有无障碍物条件下巷道内爆炸破坏效应分区。结果表明:障碍物对空气超压峰值的影响具有距离效应,在障碍物近区空气超压急剧增加,而且障碍物的存在增加了损伤区范围和损伤严重程度。     

巷道断面突变对突出冲击波传播的影响

为了研究巷道断面突变对突出冲击波传播的影响和冲击波超压冲量的破坏作用,利用自行搭建的煤与瓦斯突出冲击波传播实验系统,结合三维变截面巷道冲击波传播数值模型的建立,基于实验室实验和数值模拟的方法,研究了不同初始瓦斯压力下突出冲击波在断面突变巷道中的传播规律。结果表明:突出后巷道内压力变化可划分为冲击扰动初始阶段和压力衰减阶段,其中冲击扰动初始阶段冲击波超压峰值大于压力衰减阶段压力峰值,且前者超压冲量小于后者;以初始压力为0.6 MPa为例,计算得出压力衰减阶段超压冲量比冲击扰动初始阶段高52.4%,总冲量随冲击波传播呈先衰减后增大的规律;突出发生后,冲击波超压先随距离发生衰减,当冲击波从断面突变前的大直径巷道传入后方小直径巷道,因壁面反射形成局部高压区,超压强度在截面前0.65 m处增大,出现先衰减后增大的变化规律。     

瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的传播特性

针对一般空气区从实验和数值模拟两方面对瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的传播特性进行了研究。通过实验研究发现了一般空气区瓦斯爆炸冲击波超压衰减系数在管道不同拐弯角度情况下与冲击波初始超压以及管道拐弯角度有关系,并确立了相互之间的关系式。通过数值实验计算分析了一般空气区瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的超压变化规律,得出了瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的压力分布情况。将模拟结果和试验结果进行对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。     

TNT装药爆轰的远场超压数值模拟研究

装药在空气中爆炸对目标的毁伤因素主要为峰值超压和比冲量,大当量的TNT装药在远场对目标毁伤的主要因素为峰值超压。利用AUTODYN-2D软件对1000 kgTNT装药在空气中爆炸的情况进行有一定地面爆高高度二维数值模拟,结果表明:在一定爆高高度的情况下较触地爆炸,近场(水平距离S<10 m)时峰值超压在随着h的增大而减小;远场(S>30 m)冲击波峰值到达时间较晚,在炸高与水平距离之比h/S=0.1时峰值超压达到最大值。研究结果对于冲击波峰值超压在远场的预测以及对目标的毁伤效果评估具有一定的参考价值。     

煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测北大核心

运用爆炸相似理论,在无限空间中炸药爆炸冲击波的超压规律基础上,考虑瓦斯浓度、巷道截面积、冲击波传播距离、混合物体积等因素,建立了煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测模型。根据一定的实验数据,拟合出超压与瓦斯浓度、冲击波传播距离,以及与瓦斯—空气混合物体积之间的关系。通过实例对该模型进行验证,结果表明模型预测数据与实验数据比较吻合。     

煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测

运用爆炸相似理论,在无限空间中炸药爆炸冲击波的超压规律基础上,考虑瓦斯浓度、巷道截面积、冲击波传播距离、混合物体积等因素,建立了煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测模型。根据一定的实验数据,拟合出超压与瓦斯浓度、冲击波传播距离,以及与瓦斯—空气混合物体积之间的关系。通过实例对该模型进行验证,结果表明模型预测数据与实验数据比较吻合。     

巷道空间内瓦斯爆炸冲击波传播的数值模拟

为研究在巷道空间里瓦斯爆炸冲击波的传播特性,采用ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法,建立巷道瓦斯爆炸物理模型,对巷道空间里瓦斯爆炸过程进行数值模拟,得到瓦斯爆炸过程中冲击波变化云图,并拟合了冲击波衰减变化规律.研究表明:瓦斯爆炸冲击波经历了从球面到平面冲击波的发展过程,最终冲击波逐渐衰减为常压状态,但在受限空间内瓦斯爆炸冲击波遇壁面会发生反射与叠加,因此要合理的设置泄压口;爆炸冲击波超压与距离成非线性关系,即爆炸冲击波超压与距离的平方根成反比.研究结果对瓦斯爆炸传播事故的预防和灾害控制有一定的指导作用.     

基于巷道不同截面内瓦斯爆炸传播规律的研究

为进一步探究巷道截面变化情况下瓦斯爆炸传播规律的差异性,主要针对巷道截面突然缩小与巷道渐缩两种情况,对瓦斯爆炸传播动力特征进行Fluent数值仿真模拟。研究结果表明:突然缩小巷道内爆炸火焰的传播速度要明显大于渐缩巷道内爆炸火焰的传播速度。对于截面突然缩小巷道,瓦斯爆炸冲击波在巷道截面突变处峰值瞬间超压,达到最大值。对于截面逐渐变小巷道,爆炸冲击波峰值超压随着传播距离的增大而增大,但是整体上增大的幅度仍然不是很大。     

瓦斯爆炸冲击波在单向转弯巷道内传播及衰减数值模拟

在应用一些基本假设的基础上,建立了瓦斯爆炸冲击波在转弯巷道内传播的物理模型和数值模型.数值模拟的结果表明,转弯巷道内传播的冲击波,其压力、速度和温度等参数在传播过程中存在着衰减态势.在瓦斯爆炸初期,由于化学反应的存在而使冲击波波阵面上的参数不断增加;而在全部瓦斯混合气体反应结束后,压力、速度和温度的衰减较慢.通过实验数据、模拟数据和实测数据的对比表明数据的吻合程度较高,证明了数值模型的可行性.     

炮孔约束下双槽聚能管对乳化炸药殉爆距离影响的研究

为研究在炮孔约束下双槽聚能管对乳化炸药殉爆距离的影响,采用外径57 mm、壁厚4 mm的无缝钢管模拟孔径49 mm的周边孔进行乳化炸药和“乳化炸药+双槽聚能管”的殉爆试验研究,测试乳化普通药包和聚能药包在无缝钢管中的最大稳定殉爆距离。结果表明,在无缝钢管约束下,长度17 cm的乳化普通药包和聚能药包的最大稳定殉爆距离为105 cm和130 cm; 由于聚能管约束径向传播爆轰波,增大轴向上同轴点处冲击波能量,使得在双槽聚能管约束作用下乳化炸药殉爆距离显著增大,且外界约束条件越好,殉爆距离越大; 可推理出长度17 cm的聚能药包在隧道周边孔中的最大稳定殉爆距离不小于130 cm。     

瓦斯爆炸冲击波在采煤工作面巷网中传播特性的数值模拟

为了探索冲击波在首尾相连巷网中的传播特性,运用AutoReaGas软件模拟了瓦斯爆炸冲击波沿着进风巷和回风巷传播的超压和温度的变化规律。研究结果表明：冲击波在采煤工作面首尾相连巷网中传播时,超压峰值和最高温度不断减小;相向传播的两个冲击波发生叠加效应,使超压峰值增大,相向传播的火焰锋面产生抑制作用,使最高温度降低;在联络巷的中点之前,最高温度沿着巷网的变化规律与冲击波超压峰值的变化规律基本一致;进回风巷对应测点的超压峰值和最高温度基本相同,冲击波经过两条巷道的传播特性基本一致。在煤矿井下瓦斯爆炸发生叠加的位置附近是爆炸破坏较严重的区域,应采取相应的预防措施,减少瓦斯爆炸带来的损失。     

小净距隧道群掌子面间距数值分析研究

当多隧道并行且属于超小净距隧道群时,如何控制掌子面距离成为保证施工安全同时不耽误工期的一项内容.研究结果表明,掌子面之间距离越大,各隧道特别是处于最后施工并位于中间位置的二号隧道位移、应力逐渐减小,但当掌子面距离增大至一定程度时,变化就很小.综合分析,掌子面距离控制在2倍洞径较为合理.     

尾端具有急转弯的巷道中的空气冲击波传播计算方法

为了解决空气冲击波在尾端具有急转弯的巷道中传播时的波阵面参数计算问题,依据具有空气冲击波传播阻抗的空气冲击波关系式,推导出了井下空气冲击在尾端具有急转弯的巷道中传播时的波阵面参数的理论计算公式,这组公式考虑到了突然转弯巷道结构对冲击波传播所带来的额外影响,能够准确计算出在范围很大、巷道走向变化很大条件下的空气冲击波波阵面传播速度、波阵面后空气流速、空气密度、声速、温度、超压等参数,为控制井下空气冲击波的危害提供了理论依据。     

坑道出口现场爆破模型试验

针对某坑道出口爆破工程,研究决定采用“预裂爆破成型,平面药包分层剥离、定向抛掷”的爆破方案来解决坑道出口的可控爆破破碎和抛掷问题,采用“预留缷碴坑,抵抗层双向抛松,一次成型”的爆破方案来解决坑道出口两侧临空岩壁单向抛掷问题。为验证方案的可行性与时效性,根据工程环境地质条件及坑道几何参数,由爆破相似律确定试验爆破模型主要设计参数与试验爆破参数,进行现场爆破模型试验。试验结果得知爆后坑道出口全部贯通,洞口成型较好,岩石抛掷距离达到了设计要求。表明该爆破方案试验设计合理可行,爆破设计参数选择正确,得出了该爆破方案能实现坑道出口爆破的快速疏通,试验为坑道出口爆破提供了设计参数和理论依据。     

煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔爆破中的研究与应用

针对高瓦斯低透气性煤层,从理论上探讨了煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔中爆破时,炸药爆炸冲击波初始峰值压力和传播到孔壁处的入射压力以及孔壁煤面上的透射冲击压力。建立了炮孔周围煤体中的动态应力场,分析了爆源区径向裂隙区的形成和扩展半径。最后将裂隙区半径应用于煤层爆破孔和抽采孔布置参数设计,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破孔和瓦斯抽采孔的合理间距,并进行工程实践。结果表明该方法为高瓦斯低透气性煤层增透,进而为解决煤层瓦斯抽采提供了一条有效的解决方案。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

含弱面岩体拉伸破坏形式及声发射特性研究

金属矿山开采过程中的弱面岩体工程结构极易发生拉剪破坏。为了探究含弱面岩体支护方式与弱面角度的关系,对预制弱面的砂岩进行不同角度的抗拉试验。结果表明：①含弱面拉伸试验试样主要有 2 种破坏形式,剪切拉伸复合破坏和拉伸破坏;②弱面深度为 10 mm,弱面与加载方向的夹角为 70°时,预制弱面试件能承受的抗拉强度最大,当预制弱面深度增大时,圆盘试件承受的峰值抗拉强度会随着角度前移;③弱面角度会影响试件劣化过程,当弱面深度为 15 mm,弱面与加载方向为 50°时,试件会发生突然性断裂,具有一定的岩爆倾向性;④含弱面岩体破坏模式与其内部的不同角度弱面有密切关系。进行室内含预制弱面试件抗拉强度实验,可为含弱面岩体的现场施工提供指导建议。     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

切缝药包微差爆破爆生裂纹扩展机理

为了研究切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征,采用新型数字激光动态焦散线测试系统进行4组微差起爆实验。研究结果表明:随着延迟时间的增长先爆炮孔产生的裂纹长度依次增加,其受应力波作用前的扩展距离占总距离的比例依次增高,裂纹的贯通点逐渐靠近后爆炮孔,呈"牵手"状分布;应力波正压区的压缩作用和负压区的拉伸作用分别能够降低和提升对面裂纹的扩展速度v,延迟时间越长,裂纹扩展速度降低后的峰值越低,提升后的峰值越高,爆炸应力波在对面裂纹尖端产生的压应力场会降低其动态应力强度因子KdI,延迟时间越长,峰值越小;裂纹相遇时,扩展速度v和动态应力强度因子KdI都呈现增大趋势,且相遇越早,速度峰值越大;当微差时间满足一定条件时,先爆炮孔产生的应力波在后爆炮孔孔壁附近形成拉伸应力场,有利于裂纹萌生。