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。     

煤体爆破裂纹扩展速度试验研究

为了进一步研究煤体爆破裂纹扩展规律,以煤体爆破裂纹扩展速度为研究内容,选取0.14 mm漆包铜线和0.7 mm铅笔芯作为探针传感器材料,利用爆速仪改进的裂纹扩展测试系统对煤体内部和表面裂纹扩展速度进行测试。试验结果表明:煤体爆破裂纹扩展速度变化规律与煤体的力学性质、波阻抗及初始裂纹数量等因素有关。在初始裂纹的导向作用下,煤体中的爆破裂纹扩展速度大致经历先迅速衰减、然后近似匀速、最后缓慢衰减3个阶段。     

爆破载荷作用下控制孔增透作用机理试验研究

为了研究爆破载荷作用下控制孔增透作用机理,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计了有控制孔和无控制孔两种不同的模型试件,以煤体工程分类为依据结合构造煤物理力学特性利用相似材料配比加工制备尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的两种模型试样进行爆破模拟试验。利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,采用超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用网络并行电法仪CT反演爆破前后模型试件电阻率的变化,分析两种模型试件在爆破载荷作用下裂纹扩展、动态力学和电性参数特性,进一步揭示了控制孔在深孔控制爆破卸压增透中的作用。结果表明,爆破载荷在固定端("硬"材料)产生反射压缩波,在控制孔全部反射成拉伸波;爆破试样在冲击波、应力波、爆生气体的共同作用下产生两段主要波形,测点径向应变峰值与切向应变峰值相近;爆破前后煤岩电阻率产生异常变化,前后的平均异常系数为6~9。研究成果可用于现场工程实践中利用深孔控制爆破技术卸压增透防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害。     

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。     

基于UDEC煤体深孔预裂控制爆破数值模拟研究

通过定义煤体爆破损伤本构模型,利用fish语言编写计算代码,选择高斯脉冲函数作为爆炸波输入动力荷载,设置静态边界条件和对称边界条件,划分有限差分网格,建立了UDEC煤体深孔预裂控制爆破损伤模型,分析了煤体中距炮孔不同距离处爆炸应力波传播规律以及煤体爆破损伤区的扩展过程。研究结果表明:煤体中爆炸应力波随径向裂隙的扩展呈非线性指数衰减;煤体爆破损伤的最大损伤半径为3 m,且炸药起爆至煤体损伤破坏时间很短,大约为5.11 ms;煤体深孔预裂控制爆破最优炮孔间距为6 m。     

煤体坚固性系数和瓦斯压力对煤层深孔爆破增透的影响

基于FLAC 3D有限差分动力数值模拟及与室内实验和典型现场试验结果对比分析的方法,研究了煤层的瓦斯压力和坚固系数对高应力低透气性高瓦斯煤层深孔爆破增透效果的影响。有限差分动力数值模拟中,通过FISH语言的二次开发,同时考虑了煤层地应力、爆炸波时程、爆生气体时程的作用,且与以往煤体爆破裂纹扩展数值模拟不同的是,爆生气体时程不仅作用在炮孔壁处,还作用在裂纹表面之上。研究结果表明:煤层裂隙区随煤体坚固性系数的增大呈对数关系增大;煤层瓦斯压力的存在降低了煤体的有效强度,有利于煤层爆生裂纹的扩展;煤体坚固性系数和煤层瓦斯压力对煤层深孔爆破增透均呈现正效应的影响。     

小间距隧道爆破地震效应的损伤控制研究

为了分析近距离爆破对相邻既有隧道的振动影响,进行了现场爆破振动监测试验.结果表明,振动速度具有很强的方向性,各测点沿隧道断面的径向振动速度均大于切向速度,且振动速度均随着与震源距离的增大呈非线性减小.基于试验结果的统计回归和对爆破中区爆生气体压应力场作用下岩石微裂纹扩展机理的分析,假定岩石动态极限抗拉强度超过微裂纹临界应力时引起新的材料损伤,通过爆破中区损伤断裂准则得到了质点振动速度的安全阈值.结合爆破监测回归公式给出了不同距离情况下单段最大药量建议值.     

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。     

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。     

煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究

预裂爆破可以增加开采煤层的透气性系数,提高煤层瓦斯抽采率,为煤层的快速消突提供了一种有效的技术手段。为了考察不同影响因素条件下预裂爆破对煤层的增透效果,基于岩石力学、弹性波、爆破等相关理论,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA,数值模拟分析了不同装药量、孔间距等条件下的爆破煤体裂纹扩展及爆破应力的传播特征,得到了装药量、孔间距对预裂爆破增透效果的影响特征。研究结果表明:(1)爆破应力波以爆破点为起点,随着传播距离的扩大不断衰减,裂纹扩展与爆破应力波的传播方向一致,裂纹的分叉及其贯通具有一定的随机性。(2)预裂爆破存在一个最佳的装药量,装药量过大或过小均无法达到充分开裂煤体、增大透气性的目的。(3)控制孔对爆破应力在传播过程中具有减缓其衰减的作用,其减缓作用与孔间距有关,呈现随着孔间距的增加,其减缓作用先增大后减少的规律。研究成果对利用预裂爆破实现突出煤层卸压增透、快速消突具有一定的指导意义。     

爆破载荷作用下煤厚变异区损伤破坏特征实验研究

针对地质构造区域爆破施工容易诱发煤与瓦斯突出的现实情况,建立煤岩组合弹性力学模型、根据爆炸应力波在煤岩介质中的传播与作用规律,分析了煤层变厚时原岩应力的分布特征、爆炸应力波在构造煤岩体中的传播过程,并结合相似模拟实验与数值模拟研究了爆破载荷作用下煤厚变异区的损伤破坏特征。理论分析表明,薄煤层区域承受的原岩应力高于厚煤层,且应力变化梯度随煤厚减小率的增大而增大,爆炸应力波由岩体传播至构造煤体时会发生波的透射和反射现象,反射形成的拉伸波将加剧煤岩交界面岩体侧的损伤程度;爆破模拟实验中采集得到的应力曲线,煤厚变异区岩体处的测点存在着2次较大的拉应力峰值,应力波在该处相互作用形成了叠加破坏区,破坏区同时又引导其余方向的爆生裂纹向其延伸汇集,导致岩体严重破坏。数值模拟验证了爆炸应力波在煤岩交界面上的透射和反射现象,应力云图表明应力波在煤厚渐变区的叠加作用最明显且延续时间长。研究成果对于揭示爆破扰动煤厚变异区诱发煤与瓦斯突出的机制有重要指导意义。     

定向断裂双孔爆破含缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明:在爆炸应力波作用下,预制裂纹尖端起裂,并扩展。炸药爆炸后,主裂纹的扩展速度迅速达到峰值,之后开始振荡减小,其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值,然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ从峰值振荡减小,又振荡增加至第二个峰值,之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ达到最大时,次裂纹起裂,之后K_Ⅰ振荡减小。裂纹扩展的过程中K_Ⅱ基本都小于K_Ⅰ。     

不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究

为研究双向聚能拉伸爆破应力波传播及裂纹演化规律,采用理论分析、数值模拟等方法,研究单孔爆破、连孔爆破、间隔爆破爆炸应力波的传播形式和裂纹扩展规律。结果表明,连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的裂纹扩展长度都在水平径向上达到了900 mm,而单孔聚能爆破仅600 mm,说明连孔聚能爆破时应力波的叠加使切向拉应力增大,聚能方向形成了与孔心连线相平行的裂纹,裂纹开裂延伸,直至贯通。间隔爆破时随着应力波的传播,裂纹尖端张拉应力区也不断向前推移,促使裂纹继续发展,直至贯通。该项研究在岩石成型爆破中提供了有效真实的参考依据,具有广阔的应用前景。     

软弱夹层对岩石爆破裂纹扩展影响的研究

为研究平行于炮孔的软弱夹层对岩石爆破裂纹扩展的影响，通过制作含不同软弱夹层的水泥砂浆试块进行爆破模拟试验，并用高速摄影仪对试块爆破裂纹扩展过程进行观测。同时，通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对含不同软弱夹层试块的爆破裂纹扩展起因进行数值模拟分析。结果表明：随着软弱夹层强度的降低，软弱夹层侧爆炸反射应力波强度逐渐增加、透射应力波强度逐渐降低，这使得软弱夹层侧裂纹扩展速度逐渐增加、裂纹扩展也越充分。同时，随着软弱夹层强度的降低，爆炸应力波在软弱夹层侧的衰减速度逐渐加快。试验结果与数值模拟结果具有较强的一致性，表明数值模拟对实践具有一定的指导意义。     

基于分形理论不同装药量的爆破动焦散线实验研究

为研究装药量对爆生裂纹扩展行为的影响。采用透射式数字激光动态焦散线实验系统,分析了不同装药量的爆生裂纹扩展规律,并基于计盒维数的计算原理,编写MATLAB程序计算爆生裂纹的分形维数。结果表明:①起爆后裂纹扩展分2阶段,Ⅰ阶段(0～114.3μs)为爆炸应力波与爆生气体对裂纹尖端的作用,在裂纹的起裂时刻扩展速度达到峰值,随即迅速降低;Ⅱ阶段(114.3μs～裂纹止裂)在反射应力波对裂纹尖端的作用下,裂纹扩展速度继续提升;②裂纹扩展速度峰值、动态应力强度因子峰值、粉碎区面积、爆生裂纹分形维数与装药量正相关;③采用回归分析与线性拟合的方法,得到了裂纹扩展速度与裂纹扩展轨迹分形维数的线性关系,同一裂纹扩展速度的变化符合分形规律。     

爆炸荷载作用下煤体裂纹扩展机理模型实验研究

为研究煤体在柱状装药爆炸荷载作用下裂纹扩展机理,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验。得到爆炸波在模型介质中传播的压力波形及模型表面加速度、应变、位移波形。描述模型在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的;裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直。     

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。     

岩石材料损伤与应力波参数关系研究

为了研究应力波参数对岩石材料损伤与破坏的作用规律,采用 75 mm大直径 SHPB试验装置以不同子弹长度和不同冲击速度对岩石试件荷载,并用RSM-SY5声波仪测试岩石试件被冲击前后的纵、横波速,研究了岩石材料损伤与应力波波长和波幅的关系.结果表明:岩石在相同应力波波长下,入射波幅值、弹性模量、损伤程度及所受应力随子弹速度的增加而增加,破坏应变随着入射波幅值的增大而减小;岩石试件在相同应力波幅值下,其所受最大应力、弹性模量和损伤程度随着应力波波长的增大而增大,破坏应变随应力波波长的增加而减小,应力波波长每增加1/2,试件损伤增加0.03左右.     

光面爆破的岩石裂纹扩展规律研究

光面爆破是一种控制爆破技术,为了实现更为精确的控制爆破效果,需要对光面爆破的岩石裂纹扩展规律进行研究。在光面爆破的初始裂纹产生阶段,利用数值模拟的方法,对光面爆破的弹性力学简化模型进行分析,得到了初始裂纹的起裂点位置以及初始裂纹长度。在爆轰气体驱动下,初始裂纹二次扩展。从裂纹扩展的能量角度,分析了裂纹扩展速度与裂纹长度的定量关系。基于断裂力学对裂纹二次扩展条件和二次扩展范围进行理论分析,定量描述了裂纹二次扩展长度与孔壁压力的关系。最后,在对光面爆破致裂机理认知的基础上,提出光面爆破中装药不耦合系数、炮孔间距、光面层厚度等参数的计算方法。     

光面爆破的岩石裂纹扩展规律研究

光面爆破是一种控制爆破技术,为了实现更为精确的控制爆破效果,需要对光面爆破的岩石裂纹扩展规律进行研究。在光面爆破的初始裂纹产生阶段,利用数值模拟的方法,对光面爆破的弹性力学简化模型进行分析,得到了初始裂纹的起裂点位置以及初始裂纹长度。在爆轰气体驱动下,初始裂纹二次扩展。从裂纹扩展的能量角度,分析了裂纹扩展速度与裂纹长度的定量关系。基于断裂力学对裂纹二次扩展条件和二次扩展范围进行理论分析,定量描述了裂纹二次扩展长度与孔壁压力的关系。最后,在对光面爆破致裂机理认知的基础上,提出光面爆破中装药不耦合系数、炮孔间距、光面层厚度等参数的计算方法。