爆炸荷载作用下径向裂纹动态行为实验研究

利用动态焦散线实验方法结合高速相机研究了爆炸应力波与爆生运动裂纹对先爆炮孔形成的定向裂纹缺陷动态行为的影响。研究结果表明:爆炸应力波P波前端压缩应力波使得裂纹面闭合应力强度因子降低,P波尾部拉伸波以及SV波使裂纹发生张开变形应力强度因子增大;裂纹面的不规则性以及张开裂纹厚度的突然变化使得SV波与静止裂纹相互作用过程中在裂纹面作用区域产生犬牙状焦散斑;运动裂纹尖端应力场有利于裂纹的起裂,裂纹起裂后在运动裂纹相互作用中两裂纹均会向相对裂纹裂纹面方向发生偏转形成勾连状裂纹。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

切槽孔掏槽爆破机理动态焦散线实验研究

为研究切槽孔掏槽爆破爆生裂纹起裂、扩展及其与空孔相互作用机理,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析了切槽孔与普通孔掏槽爆破裂纹扩展速度及动态应力强度因子的变化规律。实验结果表明：与普通孔相比,切槽孔掏槽爆破主裂纹在起裂阶段,应力强度因子出现最大值;扩展阶段,裂纹近似匀速稳定扩展,应力强度因子波动范围较小,整体数值较大;与空孔相遇阶段,3条主裂纹相互贯通,相应地产生3条次生裂纹,并与主裂纹相向运动,提高了各自的扩展速度和应力强度因子。空孔处破碎较严重,其补偿空间得到充分利用,有利于提高掏槽效率。     

冲击荷载下对称裂纹动态扩展规律研究

为研究冲击荷载下岩石等脆性材料中对称裂纹的断裂机理,利用数字激光动焦散试验系统,对含不同倾角对称初始裂纹有机玻璃板试件进行了冲击试验,研究了裂纹倾角对对称裂 纹 动 态 断 裂 力 学 行 为 的 影 响,并 利 用 有 限 元 程 序ABAQUS对试验进行了模拟.试验研究结果表明:裂纹扩展轨迹受试件中初始裂纹倾角的影响,初始裂纹倾角为６０°和９０°时,裂纹 扩 展 表 现 为 相 互 排 斥,初 始 裂 纹 倾 角 为 １２０°和１５０°时,裂纹在扩展过程中逐渐汇聚;Ⅰ型应力强度因子的变化规律受初始裂纹倾角的影响,裂纹起裂时刻的应力强度因子随初始裂纹倾角的增大而减小;初始裂纹倾角会影响裂纹尖端应变能累积和释放的快慢,当初始裂纹倾角为９０°时,起裂难度最小,裂尖应变能释放较为平缓;当初始裂纹倾角为锐角和钝角时,起裂难度加大,应变能释放都较为迅速.数值模拟研究表明:初始裂纹对称轴上的最大主应力与裂纹尖端到该点的距离呈负相关,模拟所得裂纹扩展路径与试验结果相符.     

高地力环境下聚能爆破动、静作用对岩石内裂纹起裂与扩展机理研究

深部硬岩深孔爆破弱化是一个爆炸动静荷载与地应力耦合作用下的无自由面爆破过程,地应力对爆破裂纹扩展具有很强的抑制作用,这极大地限制了深孔爆破在工作面硬岩的预弱化及切顶卸压等工程中的应用。为了探索地应力影响下的无限岩石爆破中应力波与爆生气体二者对裂纹起裂与扩展的作用机理,采用爆炸力学与断裂力学理论推导了聚能爆破动作用阶段的裂纹长度,利用LSDYNA软件研究了地应力作用下聚能爆破动、静作用下的岩石内裂纹起裂与扩展过程。结果表明：(1)数值模拟结果指向动、静作用的时间分界点为32μs,聚能爆破动作用阶段对裂纹的起裂及初始扩展占主导地位,爆生气体静作用对裂纹的后期扩展占主导。(2)无地应力作用时,静作用阶段裂纹扩展长度是应力波动作用阶段的11倍。地应力为20 MPa时,聚能爆破中动作用阶段裂纹长度被抑制了12.4%,静作用阶段裂纹长度被抑制了86.3%,地应力主要对后期爆生气体静作用阶段的裂纹扩展起抑制作用;侧向地应力垂直于裂纹扩展方向时,其抑制作用随侧向地应力增大而减弱;(3)依托古城矿N1302工作面切顶卸压工程背景,在考虑现场地应力及施工条件下,通过数值模拟最终确定最佳不耦合系数为1.3,...     

不同直径空孔对爆生裂纹扩展行为影响规律的实验研究

为得到空孔直径的改变对爆生裂纹扩展行为的影响规律,采用动态焦散线实验方法,研究了不同空孔直径情况下爆生裂纹扩展轨迹、扩展速度及裂尖动态应力强度因子的变化规律。研究结果表明:随着试件中三条爆生主裂纹的尖端相对距离的减小,裂纹尖端应力场的相互作用逐渐增强,使裂纹扩展速度增加并达到峰值;随着空孔直径的增大,裂纹扩展后期裂纹扩展速度和应力强度因子振荡效应减弱,有利于运动裂纹向空孔方向扩展;在一定范围内,空孔直径越大,空孔对爆生裂纹的导向作用越明显;随着空孔直径的增大,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子发生突跃增大的趋势减弱。     

含垂直层理介质在切缝药包爆破下裂纹扩展行为的试验研究

岩体中层理对切缝药包爆生裂纹的扩展有重要影响。 本文采用焦散线方法研究垂直层 理介质在切缝药包单孔/双孔爆破下爆生裂纹的扩展规律。 结果表明:与无层理介质相比,在垂 直层理介质中,切缝药包单孔爆破下爆生裂纹的扩展速度下降,炮孔一侧裂纹扩展的最终长度降 低约15.5% ;爆炸应力波在层理处产生的反射波使相向扩展爆生裂纹尖端的应力强度因子KdⅡ增 大、Kd Ⅰ降低,抑制了爆生裂纹的扩展,且炮孔距离层理越近,层理对该侧炮孔处裂纹的阻碍效应 越强;切缝药包双孔同时起爆时,相邻炮孔产生的爆炸应力波对相向扩展的爆生裂纹有促进作 用,使裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均显著提高,裂纹直接穿过垂直层理继续扩展, 提高了层理岩体中爆生裂纹定向扩展的能力,裂纹扩展的最终长度较单孔爆破时增大50% 以 上。 研究结果为层理岩体中开展切缝药包定向断裂爆破提供参考。     

岩石定向断裂爆破的力学分析及参数研究

采用数值计算、动光弹研究和断裂力学分析的方法对定向断裂爆破的力学效应进行了探讨．揭示了定向断裂爆破中裂纹起裂和扩展的机理．指出初始裂纹改变了炮孔应力场分布;裂尖处发生应力集中并具有导向作用;爆生气体准静态压力是裂纹扩展的动力．同时提出了定向断裂爆破参数的设计原则和方法：增大炮孔间距和密集系数,减少炮孔数量和药量．从而使岩石爆破的孔网参数较光面爆破有较大改善．     

爆炸荷载下含预裂缝的裂纹扩展实验研究

预裂爆破技术目前广泛应用于爆破工程中,为了探究预裂爆破形成的预裂缝对爆生裂纹和原生裂纹动态断裂特性的影响,基于数字激光动态焦散线实验开展了一系列研究,获得了裂纹扩展的时实动力学参数。研究结果表明:预裂爆破形成的预裂缝可以阻挡爆生裂纹向保留岩体内扩展,加大被爆岩体的损伤;其两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展,且扩展长度随着预裂缝长度的增加而增大;长度较短的预裂缝(L=20~80 mm),对保留岩体内原生裂纹扩展有促进作用,只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用,预裂缝A长度L=100 mm时,其B裂纹扩展长度为无预裂缝A模型时的21%,Bz和By扩展速度均值为无预裂缝A时的0和64.8%;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端翼裂纹的起裂时间随着预裂缝长度增加而增加,当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),迎爆侧翼裂纹没有起裂,By起裂时间推迟到和无预裂缝时一样的150 μs;原生裂纹迎爆侧翼裂纹断裂韧度小于背爆侧断裂韧度;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端起裂韧度均小于无预裂缝时的起裂韧度,且随着预裂缝长度增加迎爆侧翼裂纹起裂韧度降低;原生裂纹两端应力强度因子峰值随着预裂缝长度增加而减小。     

巷道内径向裂纹在冲击载荷作用下的起裂与扩展研究

为了研究在冲击载荷作用下巷道围岩周边径向裂纹的破坏机制,利用落锤冲击试验机冲击含径向裂纹的砂岩拱形巷道模型,裂纹与巷道拱顶圆弧圆心成不同倾角(θ=0°～90°),借助裂纹扩展计及应变片确定试样裂纹的起裂时刻及裂纹传播速度,并分析裂纹扩展路径中的止裂问题和计算起裂韧度,随后进行相关的数值模拟。研究发现:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为与Ⅰ型及Ⅱ型起裂韧度都有较大关系,同时与预制裂纹倾角θ也有较大关系,动载荷下的Ⅰ型起裂韧度与静载荷下的Ⅰ型起裂韧度存在很大差异;纯Ⅰ型裂纹起裂方向与原裂纹方向相同,并在扩展过程中存在止裂现象,但Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定夹角起裂并扩展形成翼型裂纹,随后沿着巷道的对称轴中间区域进行扩展;巷道模型在动力载荷作用与静力载荷作用下,两侧边墙的破坏行为有很大差别。     

加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响

为研究加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响,采用非对称加载半圆弯曲试件开展了冲击载荷下Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型3种加载方式下多种冲击速度的断裂试验与数值模拟,研究了加载方式和冲击速度对煤样动态断裂裂纹扩展过程、裂纹起裂时间和煤样破坏形式的影响规律。结果表明:煤样在Ⅰ型动态加载下,裂纹呈直线形式;在Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载下,裂纹呈向左上方扩展的曲线形式;3种不同加载方式下,煤样裂纹起裂时间均随冲击速度增大而减小,其影响逐渐减弱,煤样在Ⅱ型加载下起裂时间明显大于其他2种加载方式;煤样破坏程度均随冲击速度的增大而加大,Ⅰ型加载影响较小,Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载影响较大。     

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明：裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104 MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34) cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。     

爆生气体对高应力低透气性煤层深孔爆破增透影响的数值模拟

考虑爆炸波和爆生气体时程荷载,采用FLAC3D有限差分动力模块,模拟了衰减规律不同的爆生气体对高应力高瓦斯低透煤层深孔爆破裂纹扩展的影响。其中,随裂纹扩展的时间和速度而衰减的爆生气体时程荷载,既作用在炮孔壁上又作用在爆生裂纹表面。研究结果表明:爆生气体在深埋高应力低透气性煤层深孔爆破致裂过程中起主要的驱动作用,煤层增透的效果随爆生气体衰减速度的降低而显著增加;高量爆生气体的低爆速炸药的研发对高应力高瓦斯低透煤层深孔爆破增透的现实意义重大。     

切槽定向断裂控制爆破的数值模拟研究

针对切槽定向断裂控制爆破进行了ABAQUS数值模拟研究,采用内聚力模型(CZM)成功模拟了爆生主裂纹的起裂和扩展过程。数值模拟结果表明,炸药起爆后,切槽炮孔在20μs时首先在切槽尖端产生损伤,在25μs时产生爆生裂纹,并在130μs时扩展至模型边界;炮孔切槽周围形成了较强的拉伸应力区,拉应力使爆生裂纹沿切槽方向优先起裂扩展,切槽方向的最大主拉应力峰值随时间呈先增大后减小的趋势;而在非切槽方向形成了压应力区,压应力的存在限制了非切槽方向裂纹的张开;切槽方向拉应力区形成的裂纹生长区和非切槽方向压应力区形成的裂纹抑制区的共同作用,使爆生裂纹沿切槽方向起裂、扩展,并最终形成断裂面。     

低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。