邻近爆破下不同形状巷道围岩裂纹扩展规律

为了解巷道断面形状对爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹扩展规律的影响,采用模型试验和扩展有限元(XFEM)方法展开详细研究。试验研究表明:爆炸载荷下,当原有裂纹扩展通过邻近巷道围岩原有裂纹尖端影响区、应力波传播过程产生的环向拉伸区和自由面反射波影响区时,扩展方向有所不同;巷道断面形状主要影响原有裂纹后期扩展方向,巷道断面形状不同,自由面反射拉伸波的拉伸应力方向不同;由于拉伸应力方向一般垂直于自由面,直墙拱形巷道和圆形巷道围岩中原有裂纹扩展后期偏转向弧形自由面切向方向,近似"层裂"现象扩展;矩形巷道围岩原有裂纹扩展方向与直墙反射波拉伸应力作用方向平行,裂纹扩展不受影响,仍沿近似水平方向与自由面贯穿。     

爆破对邻近巷道背爆侧倾斜裂纹影响实验研究

基于常被忽略的爆炸荷载对邻近巷道背爆侧围岩缺陷的扰动问题,采用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,探究了爆炸荷载作用下邻近巷道背爆侧不同倾角裂纹缺陷的扩展规律。试验结果表明:爆炸荷载作用下,直墙拱形巷道背爆侧倾角θ=30o(逆时针方向为正)的预制裂纹最终扩展位移最大,之后随着倾角增大或者减小,裂纹扩展位移均逐渐减小;弧形断面对应力波的削弱作用小于矩形断面,这导致斜向上预制裂纹扩展位移为关于水平方向对称的斜向下裂纹的2~3倍;能量释放率对裂纹的扩展具有驱动效应,且其随时间基本呈现先振荡增加达到峰值,然后振荡减小为零的规律,但这种振荡幅度随裂纹最终扩展位移的减小而变小。上述的研究为邻近巷道背爆侧经济安全合理的支护提供了理论依据。     

爆生气体对邻近硐室背爆侧预制裂纹影响机理

采用动态焦散线实验方法,研究爆炸荷载作用下邻近硐室背爆侧裂纹扩展规律时发现,伴随爆生气体释放出现的弧线型应力集中区是爆生气体引起的主应力差峰值位置,与背爆侧裂纹的扩展有较大的关联。实验研究表明:炸药爆炸后,产生的应力波首先作用于硐室背爆侧裂纹,随后爆生气体产生的准静态应力作用于裂纹,对裂纹的扩展起主要作用,而卸载波主要作用于裂纹扩展后期,使裂纹出现翘曲现象。当弧线型应力集中区接近扩展中的裂纹时,裂纹扩展速度达到峰值,约等于弧线型应力集中区的移动速度,之后,裂纹尖端与弧线型应力集中区的相对距离基本不变,当该应力集中区越过裂纹尖端,裂纹扩展速度逐渐减小,最终止裂。裂纹尖端动态应力强度因子与裂纹扩展速度具有相似的变化规律,峰值动态应力强度因子出现在弧线型应力集中区越过裂纹尖端之前。基于该发现进行的研究证实了爆生气体对邻近巷道裂纹扩展的主导作用,深化了爆炸荷载对邻近巷道影响机理的研究。     

相邻炮孔爆生裂纹相互作用试验研究

为了研究爆炸载荷作用下的相邻炮孔间爆生裂纹相互作用机理,采用新型数字激光动态焦散线试验系统,通过改变炮孔间距,调整药包装药结构,研究了不同间距、不同装药结构下爆生裂纹相向扩展作用机理。结果表明:2炮孔均为普通药包时爆生裂纹随机分布,切缝药包与普通药包相互作用时前期爆生裂纹独立扩展,后期相互吸引互为自由面。2炮孔均为切缝药包相互作用时,炮孔间距较小情况下爆生裂纹在炮孔中心轴线方向贯穿呈“直线型”分布,间距较大时裂纹在炮孔中心轴线方向呈“牵手型”分布。随着炮孔间距增大,裂纹相遇时能量损耗较大,动态应力强度因子峰值和裂纹速度峰值较小,振幅较低,炮孔周围形成的粉碎区面积及次裂纹长度越小,分形维数也越小。     

双孔爆炸应力波作用下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(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

炸药选型对岩石破碎的影响研究

依据岩石属性的多能量乳化炸药技术成为智慧矿山建设的方向之一.为研究炸药选型对岩石破碎的影响,利用数值模拟方法对乳化炸药和铵油炸药的3种爆炸载荷上升沿时间与岩石破碎效果的关系进行对比分析.结果表明,随着爆炸载荷上升沿时间的递增,炮孔附近的应力峰值先增大后减小,裂纹扩展的范围越大;对于最后一排炮孔进行爆破时,采用减小炸药量方法,也可以选择爆速小、密度低、爆炸载荷上升沿时间小的炸药;爆炸载荷上升沿时间越大,越有利于爆破岩体的抛掷,从而为后续爆破提供足够的自由面.     

爆炸荷载对邻近巷道裂纹群影响规律动焦散试验

为了研究围岩中存在缺陷的既有巷道受邻近巷道爆破振动的影响,采用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,探究了新巷道爆破开挖对邻近巷道预制裂纹群的影响规律。试验结果表明:爆炸荷载对邻近巷道围岩裂纹群的影响规律与裂纹所在位置、裂纹倾角和与邻近巷道间距L有关;当L45 mm或L65 mm时,巷道左壁预制裂纹与炮孔连线区域出现三角形破坏,但表现形式有所差异;当L增大时,巷道周边与应力波相切或有一定夹角的1号、3号和4号裂纹扩展现象均不明显,而其他裂纹扩展位移基本呈逐渐减少趋势;群裂纹扩展时,动态应力强度因子的变化趋势基本呈现先振荡增大到峰值,后减小,然后再增大到第2个峰值,最后振荡减小到0的规律,且当裂纹最终扩展位移越小时,这种现象越明显,伴随着裂纹呈现出扩展—止裂—快速扩展—止裂的扩展规律。     

顶爆下锚固硐室拱顶变形与加速度响应模型试验

若地下硐室拱顶的变形或加速度过大,其围岩就会因此而破坏或不稳定。为了探索锚固硐室拱顶变形与加速度对爆炸荷载的响应规律,开展了室内顶爆模型试验研究。根据Froude相似原理,对顶爆试验进行了设计,对开挖硐室围岩采用不同锚固参数锚杆进行了加固。通过测定硐室拱顶变形与加速度波形曲线及其峰值,比较了不同锚固参数硐室拱顶变形、加速度及其最终破坏形态特征的差异性。结果表明,在爆炸荷载作用下,当硐室拱顶的环向应变、加速度波形处于正峰值时,拱顶曲率减小,围岩产生拉伸变形;锚杆间距比其长度对硐室拱顶变形的影响大;当锚杆的长度增大到一定程度时,对拱顶变形和加速度减小的作用并不明显,反而增大了拱顶加速度;当锚杆长度相同时,疏锚杆硐室拱顶出现了下沉、纵横向裂缝和掉块;当锚杆间距相同时,短密锚杆硐室拱顶仅出现了裂缝,但偏离了纵向方向,而长密锚杆硐室拱顶的变形相对较小,仅产生纵向直裂缝;拱脚加长硐室拱顶的变形比疏锚杆硐室小一个数量级,且其拱顶加速度相对较小,故采用这种加固方式有利于维护拱顶稳定。综合比较变形、加速度对硐室拱顶稳定性的影响发现,前者大小能在一定程度上可以作为判定影响拱顶稳定性的关键指标,而后者只能视...     

爆炸载荷作用下空孔应力集中区的特性分析

采用数字激光动态焦散线测试系统和超动态应变测试系统,研究爆炸载荷作用下空孔周围裂纹扩展规律和应力集中区的应力特征。结果表明:在爆炸应力波作用下,空孔周围水平和垂直方向上都出现焦散斑,但只有水平方向上预制裂纹起裂,垂直方向上裂纹没有起裂;空孔周围裂纹1起裂早于裂纹2,裂纹2的扩展速度和应力强度因子值大于裂纹1相应值;从应变曲线上可以看出在炮孔与空孔连线上,靠近炮孔一侧为拉应力集中,远离炮孔一侧为压应力集中。     

煤矿岩石巷道楔形掏槽爆破数值模拟分析

通过LS-DYNA数值软件模拟了煤矿岩石巷道楔形掏槽爆破,分析了爆炸应力波传播规律及被爆岩体底部的应力特征。结果表明:楔形掏槽爆炸开始后,应力波从炸药底端呈锥状向被爆岩体自由面方向扩展,并迅速与相邻炮孔的应力波开始叠加;应力波到达自由面,在自由面处发生应力波反射形成拉伸波,拉伸波与正向传播的压缩波继续叠加在岩体中继续传播,叠加有利于被爆岩体底部掏槽炮孔所包夹的岩石发生破碎,形成爆破槽腔。     

初始地应力作用下岩石爆破裂纹扩展研究

为了研究初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,本文分析了不同初始地应力情况下的裂纹扩展机理,并考虑了具有初始损伤的岩体在地应力作用下的裂隙区半径。鉴于初始地应力作用下裂隙区公式计算的复杂性,对于等向围压的岩体,引入了强度折减系数用于计算裂隙区半径,并通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟出不同初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,并验证公式的适用性。得出如下结论：初始地应力作用下的岩体产生的爆破压碎区呈现类椭圆状,且随着初始地应力的增大其压碎区半径有着一定的增大趋势。单向初始地应力作用下对于爆破产生的主裂纹扩展起导向作用,裂纹的长度随着初始地应力的增大而逐渐减小,表现为抑制作用;双向等压地应力作用下主裂纹的扩展趋势为沿着最大主应力方向成大致成45°角,强度折减系数的引入有效的考虑了初始地应力作用下的岩体裂隙区半径;不等向初始地应力的裂纹扩展方向为沿着岩体最大主应力方向成一定角度,当一侧围压固定不变时,该角度会随着另一侧围压的改变而逐渐增大或者减小。     

爆破荷载作用下新建与既有隧道支护结构

系统研究爆破冲击同时对新建隧道和既有隧道支护结构动力影响具有重要意义。以某隧道接近既有隧道为例,建立爆破施工对既有隧道和新建隧道支护结构的影响三维模型,利用高能炸药材料模型及JWL状态方程来模拟爆破荷载作用下既有隧道的动力响应特性,结合LS-DYNA显式动力分析程序和多物质流固耦合算法较为准确地对新建隧道的爆破机理进行数值模拟,对爆破荷载作用下既有隧道二次衬砌与新建隧道初期支护的动力响应规律展开研究,得到了不同工况下新建隧道二衬和既有隧道初支在不同时刻的振速分布规律、位移变化云图。结果表明：不同围岩等级既有隧道二次衬砌的动力响应规律十分相似,爆破冲击波最先传到既有隧道二次衬砌上迎爆侧边墙上,既有隧道二次衬砌结构上质点沿X方向振速峰值最大,衰减较快。当距离掌子面一定距离后,新建隧道拱脚处振速峰值超过拱顶位置,不同位置振速大小依次是拱脚＞拱顶＞拱腰。初期支护上质点X、Y、Z 3个振动方向中沿Z方向即隧道中心线方向振动较大,衰减较快。炸药起爆后,新建隧道初期支护上不同位置在爆破冲击波的作用下,沿着掌子面往洞口方向依次发生振动,同一断面上,拱顶和拱脚位置振速较大,施工中应加强监测。     

爆炸载荷裂纹扩展的应力强度因子及其断裂行为

为进一步对爆炸作用下裂纹扩展问题进行定量分析,提出采用动焦散实验方法研究爆炸载荷的裂纹扩展机理,为研究岩石爆破机理提供了一种新的有效实验方法。使用切缝药卷的定向断裂形成初始裂纹,采用透明材料进行了爆炸加载的透射动焦散实验。研究了爆炸载荷下的裂纹起裂、发展和止裂的动态扩展行为,分析了其破坏模式、动态应力强度因子及裂纹扩展速度。     

爆破作用下预制共线裂纹的扩展机理研究

为了研究爆破作用下裂纹的扩展规律,从而进一步指导裂隙发育岩体爆破设计。试验运用深部岩石三轴动静载荷实验系统对含有预制裂纹的混凝土试件逐一加载,得到混凝土试件抗压强度;并采用高速摄像机对试件中裂纹起裂拓展过程进行全程拍摄,与加载曲线对照,得到裂纹起裂时垂向初始压力。研究表明:在一定范围内,试件所受围压越大,其裂纹起裂时所需压力越大;次裂纹的存在会使得主裂纹端部更容易在外力作用下起裂,且主裂纹内侧端部所受影响要大于外侧端部,这种影响程度的大小与次裂纹长度、裂纹间距等因素有关;围压越小、裂纹夹角越大、次裂纹长度越大、裂纹间距越小,主裂纹端部越容易起裂。     

不同布置条件下邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响

采用动力有限元建立三维模型,并参考实际爆破振动速度,计算了开挖隧道位于既有隧道上部、左边和下部3种布置情况,通过分析既有隧道围岩的质点振动速度以及混凝土衬砌的应力分布,得出迎爆侧首先是纵波到达,因此垂直于壁面的质点振速要远远大于其他2个方向上的质点振速;随着应力波的传播,纵波的衰减指数大于面波的衰减指数.边界条件影响质点振动规律,质点振速在突变边界条件下的峰值衰减指数大于渐变边界条件下的衰减指数.另外,拱形结构的抗冲击荷载的能力大于平面的情况.     

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以"勾连"形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ大于K_(Ⅱ);裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。     

爆破参数对预裂爆破裂纹扩展规律研究

预裂爆破是一种控制爆破,为保证预裂爆破的良好效果,需要对岩石裂纹扩展情况进行研究。通过数值模拟的方法,对孔距和不耦合系数等爆破参数对岩石双孔爆破裂纹扩展规律进行研究。研究发现：随着不耦合系数的增加,主裂隙的平均长度先增大后减小,孔壁所承受的冲击压力显著减小;双孔连线中点处的拉伸应力随孔间距的增大而降低。但是随着不耦合系数及孔距增大,双孔裂纹难以贯通,不能够达到预期的预裂效果。合理确定不耦合系数以及孔距,这对矿山爆破严格控制装药量,科学布置炮孔等采取合理的爆破参数精确的控制爆破效果具有重大意义。     

切顶沿空留巷双向聚能爆破关键参数研究北大核心

通过理论分析与数值模拟相结合的方法,分析双向聚能爆破作用下岩石的定向断裂规律、不同间距下双孔聚能爆破的岩石裂纹扩展规律。结果表明:双向聚能爆破能有效的定向断裂顶板,双孔聚能爆破中,由于相邻炮孔的应力波叠加作用,促使裂纹进一步的扩展;炮孔间距500mm时,两炮孔间能形成良好的贯通裂纹。综合数值模拟结果、前人的研究成果、工作面的工程地质条件制定了现场的爆破试验方案,试验结果表明:4+4+3+3+2的单孔装药结构能够有效的预裂顶板;通过钻孔窥视显示间距500 mm时,顶板断裂效果最佳;对爆破切顶后工作面倾向不同位置处液压支架工作阻力进行观测,结果显示距离切顶线越近的支架最大工作阻力越小,验证了爆破参数的可行性。