液态CO2相变致裂破岩与炸药破岩综合对比分析

为了降低传统炸药爆破带来的危害,介绍了基于液态二氧化碳相变致裂爆破技术。在液态二氧化碳致裂现场试验和振动监测的基础上,对二氧化碳相变致裂与炸药爆破的破岩机理和引起的爆破振动进行了分析。此外,通过计算比较了两种破岩方式破碎单位体积岩石的气体生成量、气体成分及其对环境的影响。结果表明:液态二氧化碳相变致裂技术能有效提高能量的利用率,且能有效降低爆破震动。破碎单位体积岩石,液态二氧化碳相变致裂技术和传统岩石乳化炸药爆破生成的爆炸气体量分别为0.21 kg和0.202~0.217 kg。液态二氧化碳相变属于物理变化,爆破产物只含无毒的二氧化碳气体,传统岩石乳化炸药爆破属于化学变化,爆炸过程中生成大量CO、NO、NO2、NxOy和硫氧化合物等有毒有害气体。液态二氧化碳相变致裂破岩在环保和减灾方面具有明显的优越性,这为液态二氧化碳相变致裂技术在工程爆破中的推广提供了依据。     

致裂器对液态CO2相变破岩的功效影响分析

为了研究致裂器因素对液态CO₂相变破岩功效的影响,利用现场应用及统计分析的方法,结合CO₂相变工作的工况分析,对国内目前几种典型的致裂器,从其部件适配性、致裂管结构及工作原理、应用工艺等方面进行分析研究。结果表明：致裂器的部件适配性、整体的稳定性及安全性直接与破岩的作业效率、宏观效果等方面紧密关联,甚至关系到破岩结果的成败,致裂器是影响液态CO₂相变破岩功效的关键因素。最后基于国内主流致裂管目前存在的不足,提出了致裂管的改进和发展趋势。     

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。     

岩弹冲击破岩规律试验研究EI北大核心CSCD

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。     

液态CO2相变破岩参数及数值模拟研究

为更好地了解液态CO₂相变破岩技术,对液态CO₂相变的相关参数进行了研究。并通过调节装药不耦合系数,对传统数值模拟方法进行优化,确定了用于施工现场的布孔方式。结果表明:所采用的CO₂相变致裂器的TNT当量为0.29 kg,乳化炸药当量为0.41 kg;其作用于孔壁上的爆轰压力为1 200 MPa,仅为乳化炸药爆轰压力的7.8%;爆容为509 L/kg,约为乳化炸药爆容的50%;破岩范围半径约为1.75 m。提出了用于工程现场的致裂方案,取得了良好的破岩效果。     

干冰致裂破岩振动与噪声分布规律

为探讨干冰相变膨胀爆破致裂岩石过程中的振动及噪声分布规律,利用专业振动测试系统对不同布孔结构下的干冰破岩过程产生的振动及噪声进行实地监测,分析了干冰破岩产生的振动场及噪声的分布规律。结果表明,干冰致裂破岩过程中振动迅速衰减的位置在距振源6～10 m之间,产生的强振动持续时间较短,安全系数较高。干冰致裂破岩过程产生的噪声较小,噪声持续时间十分短,频率集中于0～50 Hz之间,且振幅不大,环境影响较小。     

液态CO_2致裂技术在管廊基坑台阶开挖中的应用

为了研究液态CO_2相变致裂下的岩体损伤并获得合理的台阶爆破参数,以随州市绕城南路地下综合管廊为工程背景,在DM95-2.5型致裂器的破岩性能现场试验的基础上,对致裂器破岩能力进行炸药的当量转化。并基于LS-DYNA有限元法对致裂性能进行2D数值模拟验证,最后对液态CO_2相变致裂技术在基坑台阶开挖中的运用进行3D数值模拟研究。结果表明:试验和数值模拟得到的DM95-2.5型致裂器破岩有效半径分别为1.15 m和1.05 m,二者之间具有良好的一致性;单管DM95-2.5型致裂器可等效转化为0.63 kg 2号岩石乳化炸药;当采用孔间距2.0 m,最小抵抗线1.5 m的单排炮孔起爆台阶时,炮孔之间裂纹全部贯通,开挖部分岩体破碎充分且无明显大块产生,爆破效果十分理想。本研究成果可为液态CO_2相变技术在同类台阶开挖工程中的运用提供理论指导和重要的参考价值。     

干冰粉气动压裂混凝土质量比实验研究

爆破致裂法效率高、成本低,在采矿、地下工程等岩体开挖中应用广泛,CO_2致裂法是一种新式的爆破方法,但是CO_2相变膨胀致裂技术通常是利用液态(超临界态)CO_2的相变膨胀过程致裂岩体。为了解决高压液态CO_2的存储、运输和充装问题,提出一种新型干冰粉气动压裂破岩技术,并开展室内干冰粉气动压裂混凝土实验,研究干冰粉与CO_2聚能剂的质量比(m系数)对预制混凝土压裂效果的影响。结果表明,m系数对混凝土试样破裂形式影响明显,m≤6:1时,静态气动压裂效果较差,m介于7:1与8:1之间时的静态气动压裂效果较好。     

干冰粉气动破岩振动时频能量分析

为研究干冰粉气动破岩的冲击振动危害效应,试验测试了干冰管内气体压力变化和地表的振动速度,用希尔伯特-黄变换方法研究了干冰粉气动破岩振动衰减规律。研究结果表明：干冰粉气动破岩最大振动速度在11 m时下降至2.5 cm/s以下,是一种振动很小的新型破岩方式;经测量致裂管内压力峰值达到50.85 MPa,计算能量的TNT当量符合萨道夫斯基公式;使用HHT对干冰粉气动破岩振动信号进行时频分析,能量在频域上主要分布于0～100 Hz,振动持续时间0.3 s。     

高压水力割缝松软煤体的实验研究

为了研究高压水射流对松软煤体的损伤破坏特征,通过相似模拟实验制作不同抗压强度松软煤体试样,利用不同强度的高压水射流加载冲击实验,计算了试样的损伤破坏面积,结合测振仪对比分析了所测稳定区域的合成振速。结果表明:对9种组合进行综合破坏效果由强到弱排序为:试样强度越低水压强度越高的效果好于试样强度越高水压强度越低的效果。针对松软煤体,可以通过调节割缝水压参数获得较好的割缝效果和较好的经济性与安全性。     

岩巷预裂成缝机理的理论探讨

在充分考虑岩体损伤、地层压力影响的基础上,运用损伤和断裂理论,结合预裂成缝的三个阶段：开裂、扩展和止裂,系统分析了预裂成缝的机理。研究表明,岩体的损伤和地层压力作为岩体成缝的影响因素不容忽视,预裂成缝是应力波和爆生气体综合作用的结果。     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究

当超声波在煤岩固体材料中传播时,受其机械效应,煤岩基质固体颗粒间相互作用。从超声波的机械效应角度结合断裂力学,对围压影响的超声激励破岩机制进行探讨,利用 RFPA2D 岩石破裂过程分析系统对超声激励不同围压下煤岩致裂过程进行了数值试验验证。研究表明：围压降低了煤岩内部裂纹的断裂强度因子,改变裂纹尖端应力场;围压对煤岩破裂具有抑制作用,在相同功率超声作用下,围压越大,超声激励碎岩程度越低;数值实验表明,随着围压增加,超声致裂煤岩影响区域逐渐减小,煤岩破坏形式由低围压下的张拉和剪切破坏共同作用逐渐向高围压下单一剪切破坏过渡。相同有效声压作用下,煤岩破裂过程中主应力随煤岩围压升高而增大。     

含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制

为探究地应力影响下含水裂纹在爆破扰动下的断裂机制,运用断裂力学原理建立了爆破扰动下深部岩体含水裂纹扩展的力学模型,通过定义等效爆破扰动荷载推导出了岩体动静耦合强度因子的计算表达式;同时,通过对拉剪型和压剪型裂纹断裂的分析,了解到爆破扰动、水压力、地应力、裂纹倾角等因素对裂纹断裂的影响方式,获得了裂纹断裂的广义断裂准则,并进行实例运算,结果表明:在拉剪型断裂中,地应力对其相同方向裂纹的断裂起促进作用;在压剪型断裂中,不同侧应力系数下裂纹最易发生断裂的角度与岩体的内摩擦系数有关;爆破扰动荷载相当于增大了裂纹水的压力。     

水介质不耦合装药爆破岩石破坏范围的研究和应用

根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论,探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布,并以强度理论求算出了炮孔周围岩石中粉碎圈和裂隙圈的范围。在某立井掘进爆破中依据炮孔周围裂隙圈半径理论计算的结果进行掏槽炮孔布置参数设计,从工程实践上进一步验证了炮孔水介质不耦合装药爆破时岩石破坏作用范围理论分析的正确性。     

隧道平行导坑水压爆破掘进

通过一个爆破实例介绍了隧道平行导坑水压爆破掘进炮孔装药结构,以及该工艺与隧道平行导坑常规爆破效果的对比。对比结果显示,水压爆破较常规爆破法节省炸药35%;在不延长作业时间条件下,平均每循环进尺提高了0.35m;每延米节省成本170多元;洞内粉尘浓度降低了67%。本文以客观数据证明了水压爆破具有显著的节能环保作用,进一步说明推广此工艺的必要性和重要性。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

准脆性材料损伤斑图生长的数值模拟

准脆性材料损伤斑图的生长过程研究,对于认识重大工程动力学灾变孕育、发生的机制具有特别重要的基础性意义.尤其是岩石类动力学灾害如地震、岩爆、煤矿开采中的三突,其形成机制都町归结为岩石损伤演化诱致结构灾变的模式.损伤斑图的生长过程可以再现灾变的孕育、发生过程,具有非常深刻的物理力学背景.该文根据微损伤不可逆演化原理,利用格...     

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。