导向孔对两爆破孔间成缝过程影响的数值模拟

在爆破中,控制裂纹扩展的方法之一是在装药孔之间开挖导向孔,促使裂纹的扩展贯通。炸药在爆炸时,产生的载荷包括爆炸应力波和爆生气体压力。基于这一认识,研发了爆破损伤的数值模拟系统,并对有机玻璃试样中两炮孔同时起爆时孔周裂纹的萌生、扩展过程进行模拟,探讨了无导向孔、有一个圆形导向孔和有一个带切割槽的导向孔3种情况下裂纹的扩展规律。数值模拟结果与室内试验结果相吻合,这一方面证实了在装药孔之间开挖带切割槽导向孔对控制裂纹扩展的有效性,同时也验证了该文提出的爆破损伤模型的可行性。     

爆炸应力波作用下空孔周围裂纹群的扩展规律

为探究爆炸载荷下空孔应力集中区裂纹群扩展规律,采用爆炸加载透射式焦散线系统,研究单炮孔作用下空孔周围预制裂纹扩展的动态行为。研究结果表明:在空孔与炮孔连线方向上,空孔迎爆侧、背爆侧预制裂纹起裂并扩展,其余方向预制裂纹没有扩展,背爆侧裂纹扩展长度大于迎爆侧裂纹扩展长度;迎爆侧、背爆侧裂纹不会同时起裂,两者起裂时间差为40μs左右,迎爆侧裂纹在扩展阶段的速度和应力强度因子峰值大于背爆侧裂纹相应值;空孔对于爆生裂纹的导向作用随炮孔与空孔距离L的增大越来越不明显,迎爆侧、背爆侧裂纹扩展速度、应力强度因子值随着L的增大而减小。     

深部岩体中切槽爆破机理实验分析

深部岩体爆破致裂是初始应力场和爆炸动态载荷叠加作用结果,采用动静组合加载试验装置和焦散线实验系统,在PMMA模型试件中施加初始静态应力场和爆炸动态载荷,探讨炮孔切槽与水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。实验结果表明:①初始压应力场中,切槽孔的存在改变了圆形炮孔周边应力集中;②0°角时,初始应力场降低了裂纹尖端应力集中,抑制裂纹的扩展,且应力越大,抑制效应越明显,但不改变爆生裂纹的扩展方向;③45°角时,初始应力场改变了裂纹扩展模式,由Ⅰ型断裂向混合型转变,随着应力越大,Ⅱ型断裂越明显,且裂纹向最大主应力方向偏转;④90°角时,初始应力场提高了裂纹尖端应力集中,促进裂纹的扩展,且应力越大,促进效应越明显,不改变爆生裂纹的扩展方向。研究结果为深部岩体中开展切槽爆破技术提供理论指导。     

圆孔缺陷对爆生裂纹扩展行为影响的试验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸荷载作用下空孔缺陷对裂纹扩展行为的作用关系,以及裂纹扩展行为的规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,空孔缺陷能够促使预制裂纹起裂并扩展,且空孔对爆生裂纹扩展方向有明显的导向作用;当爆生裂纹向空孔扩展时,空孔对爆生裂纹扩展行为有促进作用,使爆生裂纹与空孔贯通时速度和应力强度因子值增大;次生裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子值都小于爆生裂纹相应值,且次生裂纹扩展初始阶段速度最大,裂纹的起裂韧度在0.8~1.1 MN/m~(3/2);随着空孔直径的增大,次生裂纹扩展长度先增大后减小,说明存在一个最优的空孔尺寸,使次生裂纹扩展距离最大,对裂纹扩展的促进作用最为显著。     

抑制预裂缝端部翼裂纹起裂动焦散实验研究

为了抑制预裂缝尖端产生翼裂纹,保护保留岩体,采用爆炸加载式动焦散系统对空孔影响预裂缝端部翼裂纹起裂规律开展研究。结果表明:空孔不仅可以引导裂纹扩展,而且可以抑制裂纹尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展;在爆炸荷载作用下空孔周围形成复杂应力场,出现应力集中现象,随着空孔半径增大,主应力差的峰值逐渐减小,特征点连线与水平线夹角逐渐增大,空孔壁更难断裂产生新翼裂纹。研究成果为实际工程控制翼裂纹向保留岩体扩展提供了可靠依据。     

抑制预裂缝端部翼裂纹起裂动焦散实验研究

为了抑制预裂缝尖端产生翼裂纹,保护保留岩体,采用爆炸加载式动焦散系统对空孔影响预裂缝端部翼裂纹起裂规律开展研究。结果表明:空孔不仅可以引导裂纹扩展,而且可以抑制裂纹尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展;在爆炸荷载作用下空孔周围形成复杂应力场,出现应力集中现象,随着空孔半径增大,主应力差的峰值逐渐减小,特征点连线与水平线夹角逐渐增大,空孔壁更难断裂产生新翼裂纹。研究成果为实际工程控制翼裂纹向保留岩体扩展提供了可靠依据。     

空孔-裂纹偏置方式对PMMA冲击断裂动态行为的影响

为研究空孔-裂纹偏置方式对材料冲击断裂行为的影响,以有机玻璃(PMMA)为实验材料,采用动态焦散线实验方法开展了冲击加载的三点弯实验研究。结果表明:在冲击载荷作用下,空孔与预制裂纹相对偏置位置影响裂纹的起裂方向以及裂纹与空孔的贯通。预制裂纹偏置情况下,裂纹起裂时KdⅡ0,起裂方向指向空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是吸引,裂纹扩展路径呈抛物线型,并与空孔贯通,在空孔上端裂纹会再次起裂。空孔偏置条件下,裂纹起裂时KdⅡ 0,起裂方向背离空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是先排斥后吸引再排斥,裂纹扩展路径呈S型,裂纹未与空孔贯通。当运动裂纹与空孔贯通后,裂纹发生止裂,从时间尺度上延迟了试件的破坏,但当裂纹由空孔上边界处二次起裂后,裂纹扩展速度、动态应力强度因子均相应提高,进而会加剧试件的破坏。     

动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃(PMMA)为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明:爆生裂纹扩展过程中,裂纹速度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,Ⅰ阶段(0~110μs)裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试件破坏以拉伸破坏为主;Ⅱ阶段(110μs~止裂)裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹Ⅰ阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端的应力集中。     

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。     

立井深孔直眼掏槽大直径中心空孔作用分析和参数计算

为提高立井基岩段掘进爆破效率,改善破碎块度,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,探讨深孔直眼掏槽大直径中心空孔的作用机理。理论研究表明:空孔为装药掏槽炮孔提供了一个与其相平行的辅助自由面和破碎岩石的补偿空间,加大了爆炸应力波的反射拉伸作用,空孔的存在造成了槽腔岩石中的拉应力集中,从而增大了岩石中的拉应力作用强度,引起槽腔中裂隙的进一步扩展延伸,使槽腔内岩石的破裂和破碎更充分。数值模拟结果进一步验证了大直径中心空孔所具有的应力叠加和反射拉伸作用。在此基础上,对空孔与装药孔间距的合理取值进行了理论分析计算,中心空孔应处在掏槽孔形成的爆破裂隙区之内,并选用较大的松动爆破作用指数进行设计。     

含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

为了丰富切槽爆破增透理论,以期为指导切槽爆破增透实践提供理论依据,采用理论分析、数值模拟、相似模拟试验的方法对切槽爆破在含控制孔情况下的裂隙扩展机制进行研究。研究表明:控制孔作用下的切槽爆破在切槽根部会产生抑制区,切槽方向上的压应变峰值是切槽45°方向上的压应变峰值的2.77倍,是拉应变峰值的1.94倍;应力波传播至控制孔后反射成拉伸波,反射拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加,促进切槽尖端裂隙的扩展。说明含控制孔的切槽爆破可以有效避免爆破裂隙的随机发育,对爆破裂隙有着良好的控制导向作用,可达到定向爆破煤岩体的效果。     

含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

为了丰富切槽爆破增透理论,以期为指导切槽爆破增透实践提供理论依据,采用理论分析、数值模拟、相似模拟试验的方法对切槽爆破在含控制孔情况下的裂隙扩展机制进行研究。研究表明:控制孔作用下的切槽爆破在切槽根部会产生抑制区,切槽方向上的压应变峰值是切槽45°方向上的压应变峰值的2.77倍,是拉应变峰值的1.94倍;应力波传播至控制孔后反射成拉伸波,反射拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加,促进切槽尖端裂隙的扩展。说明含控制孔的切槽爆破可以有效避免爆破裂隙的随机发育,对爆破裂隙有着良好的控制导向作用,可达到定向爆破煤岩体的效果。     

人工裂隙对爆炸裂纹扩展影响的试验研究

为研究与炮孔不同距离节理裂隙对爆炸裂纹扩展的影响机制,以有机玻璃薄板为介质,加工与炮孔距离为L(20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm)的人工裂隙进行爆炸实验。试验表明:人工裂隙能够有效阻隔爆炸裂纹的扩展;L为20 mm和30 mm时,人工裂隙右端边界能够产生翼裂纹,其起裂角和止裂角度分别为135°和45°,裂纹扩展路径和长度相近;人工裂隙能够有效阻隔爆炸裂纹和模型能够产生爆炸空腔的临界值介于50~60 mm之间。研究结果可为节理岩体控制爆破设计及爆破参数优化等提供理论依据。     

冲击作用下混凝土裂纹扩展试验研究及数值模拟

采用改进的分离式霍普金森杆(SHPB)分别对混凝土无切槽平台巴西圆盘FBD(Flattened Brazilian Disc)、直切槽平台巴西圆盘CSTFBD(Cracked Straight-Through Flattened Brazilian Disc)试件进行不同应变率的径向劈裂试验,得出无切槽平台巴西圆盘的劈裂拉伸应力-径向应变曲线,以及三种不同强度等级混凝土的动态弹性模量、峰值应力、峰值应变、拉伸敏感系数的应变率效应。此外,分析了不同角度预制裂纹对中心直裂纹巴西圆盘断裂韧性的影响以及复合裂纹的复合比与加载角度的关系。采用ABAQUS中的扩展有限元法对劈裂冲击试验中的直切槽平台巴西圆盘的破坏过程进行了模拟,并且对试件的裂纹扩展和破坏机理进行了分析,将数值模拟得到的结果与试验结果进行对比,得到主裂纹的扩展趋势是一致的。     

爆炸载荷下空孔及其缺陷对裂纹扩展影响机理研究

空孔在岩石爆破中的作用越来越受到重视,为研究岩石爆破中空孔及其缺陷对裂纹的影响,以PMMA代替岩石材料,利用动态焦散线系统重点研究空孔及其背爆侧缺陷对裂纹扩展的影响。在预制裂纹长度及其与炮孔间距不变的条件下,空孔直径为10 mm,20 mm和30 mm时,裂纹扩展长度分别为1.46 cm,2.13 cm和5.29 cm;裂纹扩展速度分别为266.64 m/s,366.63 m/s和466.64 m/s;应力强度因子分别为0.89,1.11和1.34;即随着空孔直径的增大,背爆侧预制裂纹扩展越容易。通过建立力学模型解释其机理,空孔直径加大了应力波的反射范围,增强了空孔边界处岩体单元的受力强度,导致裂纹的产生和发展。一定范围内空孔直径大小条件下,空孔反射应力波产生的合力方向对背爆侧裂纹扩展产生影响,主要表现为应力波的强度的水平分力方向与裂纹扩展方向的关系,当两者方向相同时对裂纹扩展起到促进作用,裂纹扩展越长;当两者方向相反时,起到抑制作用,裂纹扩展越短。     

爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理,采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明,对迎爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时,裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著,引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿,衍射后作用于右尖端反射拉伸引起;对背爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时,裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷,裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中,在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。     

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。     

基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破研究EI北大核心CSCD

针对岩巷中深孔掏槽爆破效果差的问题,设计了基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破方案。首先从理论上分析定向预裂对槽腔形成的影响,然后开展掏槽爆破数值模拟揭示槽腔岩体的破坏历程和破坏机制,最后通过现场试验探究其应用效果。结果显示:预裂孔中的切缝装药爆破后沿预裂孔连线会形成定向预裂面,定向预裂面具有自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应,能够促使槽腔岩体充分破坏以形成易于抛掷的岩块,且定向预裂面可以降低成腔阻力,有利于掏槽孔爆破成腔;数值模拟实现了槽腔岩体破坏过程的可视化,通过模拟结果证明了定向预裂面的自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应;相比于现有普通中深孔掏槽爆破技术,在岩巷中深孔爆破采用该掏槽技术时,平均循环进尺增加了0.29 m,平均炮孔利用率提高了11.6%,平均炸药单耗降低了0.19 kg/m^(3),平均雷管单耗降低了0.13发/m^(3),结果验证了此新型掏槽技术在岩巷中深孔爆破的适用性。     

束状炮孔爆破倾斜张开节理的动态断裂特性研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值模拟,对束状炮孔柱部区域和端部区域节理处裂纹的动态断裂特性进行了研究。结果表明,在炮孔柱部区域,初始爆炸应力波在张开节理处产生透射波与绕射波并与其相互叠加,节理端部产生拉剪应力集中形成翼裂纹,垂直于节理面起裂扩展。且节理近端翼裂纹扩展速度、扩展长度和裂纹尖端应力强度因子较节理远端处翼裂纹的相应值大。而次生裂纹是爆炸应力波在试件边界处产生的反射拉伸波与倾斜张开节理相互作用起裂的,并沿水平方向扩展。远端次生裂纹的起裂韧度约为翼裂纹的0.5倍,且由于反射波较弱,次生裂纹的扩展长度远小于翼裂纹。炮孔端部区域翼裂纹和次生裂纹是在倾斜张开节理处的反射拉伸波和绕射波与倾斜张开节理的相互作用下先后起裂的,翼裂纹偏向炮孔方向起裂,并向相反方向扩展,而次生裂纹近似沿着爆炸应力波的传播方向扩展。     

直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析

基于空孔直眼掏槽的基本形式,运用三维有限元软件LS-DYNA,模拟了槽孔与3种不同直径空孔的动态破碎贯通过程,得到了直眼掏槽爆破应力分布规律.模拟结果表明:空孔在掏槽爆破中提供初始自由面,对槽腔岩石破碎具有导向作用;通过3组模型破岩过程的对比,可以清晰的看出空孔直径越大,破岩过程的拉伸破坏区域和压缩破坏区域越明显.进一...