基于炮孔不同耦合介质的孔壁爆炸载荷及比能时间函数分析

为从炮孔装药耦合介质的选取上改善爆破效果和控制爆破振动危害,应用爆炸力学的相关理论建立耦合装药、不同耦合介质（水、空气、泥土）装药条件下孔壁爆炸载荷和透射比能的计算方法,通过MATLAB编程计算得到岩石介质中炮孔孔壁爆炸载荷和透射比能的时间函数并作图比较分析。研究表明：耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值最大,但是衰减也最快;水不耦合装药时,孔壁爆炸载荷的初始值次之,但衰减速度最慢,作用时间最长;水不耦合装药时,孔壁透射比能量最大,耦合装药时次之;空气和泥土不耦合装药孔壁爆炸载荷与透射比能均较小。因此水不耦合装药提高了能量利用率,更有利于改善爆破效果,但产生的爆破振动强度大、作用时间长,不利于爆破振动危害控制。     

装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究

 由于装药结构作为爆破设计的重要参数,对爆破影响不可忽视,由阻抗匹配角度对3种不同装药(耦合、空气不耦合及水不耦合)结构爆破能量传递进行理论分析,获得能量传递与装药结构关系,即不耦合装药时存在合理的不耦合系数使爆破能量高效传递给岩石。通过具体爆破开挖工程对爆破震动进行测试及能量传递公式验证,结果表明,以水作为不耦合介质的不耦合装药能有效降低爆破震动能量,减小爆破粉尘危害,且使块度更均匀。     

轴向不耦合装药结构形式优化仿真研究

为了改变某隧道平导爆破效果差、爆炸能量利用率低的现状,采用ANSYS/LS-DYNA模拟不同轴向不耦合装药结构形式对爆破效果的影响,优化装药结构,以期达到增强爆破效果,降低粉尘量和岩石大块率的目的。合理的选择数值模拟中的材料模型和算法,是高效模拟分析轴向不耦合装药结构爆破的关键,因此采用ALE算法对孔口空气填塞不耦合,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合,孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合,孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合,孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合和孔口炮泥填塞与中、上部水介质间隔不耦合的装药结构进行数值模拟,并以爆炸应力波云图和最大拉应力来评价炸药爆破效果。数值模拟结果表明:水介质可以降低炮孔壁附近岩石的压力。装药长度1.25m时,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合装药结构较孔口空气填塞不耦合装药结构,能提高爆炸能量的利用率;孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合装药结构和孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合装药结构,爆炸能量利用率基本相同;孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合装药结构的炸药爆炸能量利用率较其余5种装药结构都大,能提高爆炸应力波对岩石的作用,使得爆炸应力波更加均匀作用于岩体,降低大块率产生。此数值模拟结果可为现场爆破方案设计与实施提供依据。     

轴向不耦合装药结构形式优化仿真研究

为了改变某隧道平导爆破效果差、爆炸能量利用率低的现状,采用ANSYS/LS-DYNA模拟不同轴向不耦合装药结构形式对爆破效果的影响,优化装药结构,以期达到增强爆破效果,降低粉尘量和岩石大块率的目的。合理的选择数值模拟中的材料模型和算法,是高效模拟分析轴向不耦合装药结构爆破的关键,因此采用ALE算法对孔口空气填塞不耦合,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合,孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合,孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合,孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合和孔口炮泥填塞与中、上部水介质间隔不耦合的装药结构进行数值模拟,并以爆炸应力波云图和最大拉应力来评价炸药爆破效果。数值模拟结果表明:水介质可以降低炮孔壁附近岩石的压力。装药长度1.25m时,孔口炮泥填塞、上部空气间隔不耦合装药结构较孔口空气填塞不耦合装药结构,能提高爆炸能量的利用率;孔口水介质填塞、底部水介质间隔不耦合装药结构和孔口炮泥填塞、上部水介质间隔不耦合装药结构,爆炸能量利用率基本相同;孔口水介质填塞、中部水介质间隔不耦合装药结构的炸药爆炸能量利用率较其余5种装药结构都大,能提高爆炸应力波对岩石的作用,使得爆炸应力波更加均匀作用于岩体,降低大块率产生。此数值模拟结果可为现场爆破方案设计与实施提供依据。     

孔底准真空间隔装药的爆破效果试验研究

采用相似模拟试验对孔底准真空间隔装药的爆破效果进行研究。通过高速应变测试、爆破振动测试、爆破漏斗容积测量及块度测量分析爆破效果。相同实验条件下对比水、空气、准真空三种间隔装药方式:准真空所测得的平均峰值最小为1.67με;准真空间隔装药方式爆破引起的爆破震动速度峰值小于空气间隔及水间隔;空气间隔与准真空间隔装药方式爆破后,均能获得比连续装药方式更大的漏斗体积;准真空间隔装药方式爆破时爆出的块度大小集中在块度半径R为10~12.5 mm之间,块度均匀性较其他间隔装药方式好。得到以下结论:孔底准真空间隔装置的使用能延长爆破作用时间,增大爆破漏斗体积,减少大块率且准真空层与埋药深度之比在37.5%~50%范围内,爆破能量利用率大。     

空气与水介质不耦合装药爆破数值模拟

不耦合装药爆破技术是预裂爆破和光面爆破的主要技术措施,是形成光滑岩壁,保护开挖面的主要手段。利用LS-DYNA建立了三维单孔不耦合装药爆破模型,并进行数值模拟,再现了不耦合装药爆破的应力发展过程,得出了爆破应力云图、应力和位移时程曲线图;分析了不耦合系数为2、3、4时,空气和水不耦合装药爆破孔壁应力及对孔壁破坏情况,得出了孔壁应力与不耦合系数的函数关系,并比较了水和空气对应力的衰减速度差异。从而为预裂爆破和光面爆破参数计算提供理论依据。     

空气与水介质不耦合装药爆破数值模拟

不耦合装药爆破技术是预裂爆破和光面爆破的主要技术措施,是形成光滑岩壁,保护开挖面的主要手段。利用LS-DYNA建立了三维单孔不耦合装药爆破模型,并进行数值模拟,再现了不耦合装药爆破的应力发展过程,得出了爆破应力云图、应力和位移时程曲线图;分析了不耦合系数为2、3、4时,空气和水不耦合装药爆破孔壁应力及对孔壁破坏情况,得出了孔壁应力与不耦合系数的函数关系,并比较了水和空气对应力的衰减速度差异。从而为预裂爆破和光面爆破参数计算提供理论依据。     

径向不耦合装药爆破效果的数值研究

为了研究径向不耦合条件下爆破效果的影响因素,利用AUTODYN-2D对比不耦合系数、不耦合介质、炸药种类对爆破效果的影响规律。结果表明,与耦合装药相比,径向不耦合装药条件下炮孔压力明显降低。对比水介质和空气介质下的爆破效果可知,水介质不耦合条件下,炸药爆炸能量的传递效率更高。炮孔压力与炸药种类密切相关,TNT产生的炮孔压力最大,但作用时间较短,而ANFO和乳化炸药的作用时间较长。     

径向不耦合装药爆破效果的数值研究

为了研究径向不耦合条件下爆破效果的影响因素,利用AUTODYN-2D对比不耦合系数、不耦合介质、炸药种类对爆破效果的影响规律。结果表明,与耦合装药相比,径向不耦合装药条件下炮孔压力明显降低。对比水介质和空气介质下的爆破效果可知,水介质不耦合条件下,炸药爆炸能量的传递效率更高。炮孔压力与炸药种类密切相关,TNT产生的炮孔压力最大,但作用时间较短,而ANFO和乳化炸药的作用时间较长。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究

为了解决隧道工程中的超、欠挖问题,进行了一系列的爆破参数优化试验,采用固、水、气三相不耦合装药结构,将隧道半孔残留率从优化前的50%～60%提高到优化后的90%以上,有效地提高了围岩的稳定性,比传统的耦合装药和轴向空气不耦合装药技术爆破增效作用明显。同时给出了掏槽孔最佳的装药结构:固、水、气轴向不耦合系数在1.5～2.33之间,周边孔采用空气介质,偏心不耦合系数为2。可为类似工程提供经验借鉴。     

光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究

为了解决隧道工程中的超、欠挖问题,进行了一系列的爆破参数优化试验,采用固、水、气三相不耦合装药结构,将隧道半孔残留率从优化前的50%～60%提高到优化后的90%以上,有效地提高了围岩的稳定性,比传统的耦合装药和轴向空气不耦合装药技术爆破增效作用明显。同时给出了掏槽孔最佳的装药结构:固、水、气轴向不耦合系数在1.5～2.33之间,周边孔采用空气介质,偏心不耦合系数为2。可为类似工程提供经验借鉴。     

不同耦合介质下脆性材料断裂行为研究

为了分析不同耦合介质装药结构下脆性材料的爆破机理问题,通过实验室试验及数值模拟方法对水耦合装药和空气耦合装药爆破效果以及裂纹扩展机理进行研究。在实验中,试件材料采用透明均匀的PMMA(有机玻璃),炸药采用DDNP(二氮烷基苯酚),利用高速摄像机观察压裂和裂纹传播过程,然后从定量和定性两方面对不同耦合介质装药爆破下裂纹传播行为进行分析。观察实验过程以及数值模拟软件LS-DYNA分析结果表明,可以得到空气耦合介质下,试件炮孔周边次生裂纹少,裂纹分叉现象较少,形成规则的贯通裂隙。相比于空气耦合,水耦合介质条件下,炮孔周围形成规则不一的裂纹,破碎区直径增大,横向裂纹增多,对孔壁产生的压力较均匀,破碎效果好。同时在数值模拟分析中得出不同耦合介质装药结构下脆性材料的爆破应力云图和v-m时程曲线图,得出水耦合装药爆破可以获得更高的孔壁初始压力,且对孔壁产生的压力较为均匀,爆破的破碎效果更好。     

水耦合强抛掷台阶爆破技术研究

径向不耦合装药可以有效降低孔壁峰值压力,从而降低粉碎区的范围,改善爆破效果,空气和水是工程中常用的两种耦合介质。基于等熵绝热膨胀理论和弹性理论,以花岗闪长岩为例,分析了空气耦合装药结构和水耦合装药结构产生的爆破荷载。理论计算结果表明：在装药直径为70 mm、炮孔直径为115 mm时,水耦合装药结构产生的准静态压力荷载和孔壁压力峰值分别是空气耦合装药结构的5.63倍、2.15倍,有利于加强岩体爆破破碎和抛掷。进一步提出了综合优化单耗分布、炮孔倾角及起爆延时参数的水耦合强抛掷台阶爆破技术,分析了水耦合强抛掷台阶爆破破岩过程。叶巴滩水电站边坡岩体开挖的工程实例证明：此技术将高陡边坡岩体台阶爆破开挖的抛掷率提高到了47.8%以上,爆后岩块平均粒径为327.3 mm,且爆破烟尘明显降低,有利于加快施工进度。     

不同装药结构光面爆破对岩石的损伤研究

介绍了光面爆破的偏心不耦合、中心不耦合和护壁不耦合等3种不同装药结构,并从理论上分析了3种不同装药结构爆破对孔壁的压力情况.通过声波对比检测试验研究了3种不同装药爆破对边坡保留岩体的损伤作用,结果表明,护壁光面爆破对边坡保留岩体的损伤作用最小,是一种值得推广的爆破方法.     

不同工况下淤泥-岩石地层爆破岩层动力响应特征

淤泥-岩石地层爆破破碎岩石环境复杂,炮孔中充满地下水且岩石会受到淤泥压力作用。采用现场测试和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对水耦合装药和淤泥压力、水耦合装药和无淤泥压力、空气耦合装药和淤泥压力3种工况下岩层动力响应特征进行了研究。得出水耦合装药和淤泥压力、水耦合装药和无淤泥压力两种工况下,岩层节点振速矢量叠加峰值、单元压力峰值与孔深均存在线性关系;空气耦合装药和淤泥压力工况下,岩层动力响应不受孔深变化的影响;淤泥压力对岩层动力响应影响较小。     

水不耦合装药结构在煤矿井巷掘进光面爆破中的应用

煤矿井巷施工中,光面爆破应用日益广泛,根据煤矿井下爆破条件和安全要求,提出一种合理的装药结构形式--水不耦合装药,包括环向间隙水不耦合装药和轴向垫层水不耦合装药.在全面分析了水不耦合装药的特点的基础上,进行现场应用,结果表明:既保证了井巷周边光面爆破成型效果,又降低了爆破材料的消耗.     

空气间隔径向不耦合装药条件下柱状药包的破岩机理研究

从空气间隔径向不耦合装药条件下岩石破坏机理方面入手,通过对冲击波、应力波的能量和爆生气体膨胀的能量利用的研究,分析空气间隔不耦合装药爆破的特点,进一步研究因不耦合系数不同,影响岩石裂隙区裂纹总长和平均长度的决定性因素,并由此推导出了炸药周围空气层"储能"的计算公式.     

金堆城露天矿空气间隔装药减震控制爆破试验研究

为确保金堆城露天矿东川河隧洞的安全,采用空气间隔装药爆破方式来控制爆破震动.采用连续装药爆破和空气间隔装药爆破两种方式进行现场试验,分别选取离隧洞60m、80 m、100 m、120 m、140 m的爆心距下爆破振动速度进行对比分析,得出空气间隔装药爆破试验具有明显的减震效果,减震率分别为22.76％、33.94％、27.59％、29.85％和31.91％.采用块度分析软件对爆破后的破碎效果进行分析比较,结果表明采用空气间隔装药比连续装药爆破产生的岩石块度分布均匀、平均块度和最大块度小、大块率低、破碎度高.