起爆方式对岩石柱状装药爆破作用的影响

为提高炸药的能量利用率,改善岩石爆破的破碎效果,以及在柱状装药条件下选择最佳的起爆方式,通过单炮孔混凝土爆破实验研究了不同起爆方式对岩石柱状装药爆破作用的影响。对不同起爆方式下岩石的裂纹扩展和破碎效果进行了分析,并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立单炮孔岩石爆破损伤模型,对不同起爆方式下岩石损伤过程进行了数值模拟。其结果表明:不同起爆方式对岩石爆破破碎作用影响较大,反向起爆相对于正向起爆和炮孔中部起爆在岩石表面产生的裂纹条数更多,裂纹扩展速度更快,岩石破碎程度更好;数值模拟结果和实验结果具有较好的吻合性,对起爆技术的改进和起爆方式在工程应用上的选择具有一定的指导意义。     

三维模型柱状药包爆生裂纹扩展规律研究

利用有机玻璃材料,采用高速摄影和数值模拟方法研究不同位置起爆柱状药包爆生裂纹扩展和损伤破坏差异。研究结果表明,正反向起爆时炮孔周围均产生多条径向裂纹,爆生裂纹面经历了由"密集波纹状→光滑平坦→少量径向微裂隙→密集径向裂隙"逐步转变的过程。正向起爆时,径向裂纹优先产生,并逐渐向模型内部延伸,在炮孔底部产生较大的超深扩展现象。而反向起爆时,底部"圆锥形"裂纹面与炮孔径向裂纹同时产生,炮孔底部裂纹面消耗较多能量,其径向裂纹扩展速度较正向起爆时小,扩展时间也较短,但有利于岩石的抛掷。由模拟结果可知,柱状药包反向起爆比正向起爆爆破损伤区范围大,并且爆破损伤的均匀程度好。因此,在掏槽爆破中,为提高岩石的抛掷效果,应尽量采用反向起爆方式进行爆破;而在松动爆破中,为增加岩石中裂纹的扩展深度,应尽量采用正向起爆方式进行爆破。     

台阶爆破岩石破碎楔块理论及数值模拟研究

在逐排或齐发爆破情况下,一般没有考虑岩石在单个炮孔爆破后产生的空间破碎形态问题。岩石在爆炸作用下产生的空间破碎形态主要受岩石性质,自由面状况、炸药性能等因素影响。逐孔起爆改变了岩石的自由面状况,进而对爆破效果产生了较大的影响。根据露天台阶爆破逐孔起爆条件下岩石动态破碎特征,提出了露天台阶爆破岩石破碎楔块理论,分析了逐孔起爆条件下,体积公式计算炮孔装药量的局限。采用有限元软件ABAQUS/EXPLICT中的CEL方式加载爆炸载荷,并结合混凝土塑性损伤本构(CDP)建立了双坡面三维台阶爆破模型,得到了不同时刻岩体内应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况。模拟结果表明:岩石爆破破碎楔块理论更加接近逐孔起爆条件岩石破碎状况,并有利于炮孔装药量计算。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

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。     

不耦合系数对水下爆破破岩效果影响的数值分析

为了探究水下岩石爆破中水对爆破效果的影响,应用数值模拟的方法对单孔水不耦合装药爆破模型结构下不同不耦合系数(K=1.21、1.28、1.35、1.44)和双孔爆破模型不同炮孔间距(240、280、320、360 cm)的爆破作用效果进行数值模拟。结果表明：当不耦合系数K为1.21时,孔壁和炮孔周围的峰值应力最大且测点随着距离药柱的水平距离增大测点的峰值应力呈指数函数的形式衰减。水不耦合装药具有使岩体受力均匀、作用时间较长、应力衰减较少的特性且能量的传递效率更高的优点。应力云图表明越靠近孔心,水不耦合装药提高单元的峰值应力的越强。当水下爆破的岩石为强度较高的微风化英安岩,为了使岩石破碎,需要确定炮孔间的最优的炮孔间距,以达到最优的爆破效果,通过数值模拟确定炮孔间距为280 cm时,炮孔连心线处有效应力峰值可达到75 MPa以上,可以使岩石破碎,为最大的炮孔间距。数值模拟为实际的水下爆破工程提供理论依据。     

起爆方式对岩石爆破裂纹扩展影响的实验分析

为了了解硬岩爆破施工中,提高炸药能量利用率的最佳起爆方式或药包结构,在聚能作用和岩石破碎理论的基础上,分析了空穴聚能、爆轰聚能的聚能作用和爆破裂纹产生机理及准则。通过实验研究了中心雷管、空穴聚能和爆轰聚能的装药方式下爆破裂纹扩展规律。结果表明,3种装药方式下的岩石破碎区范围相差不大,但是中心雷管起爆时岩石径向裂纹较均匀,空穴聚能时在聚能罩的方向上形成较宽、较长的爆破裂纹,爆轰聚能在起爆点中心轴线上形成大的扩展裂纹,虽其宽度和长度均略小于空穴聚能装药,但该方法避免了金属材料的消耗和繁琐的施工工艺。结合红沿河核电站取水隧洞盾构孤石预裂爆破施工,开展的爆轰聚能的工业应用实验表明,采用爆轰聚能爆破技术使孤石强度大幅降低,减少了孤石对盾构机刀盘的磨损,避免了卡钻现象,使盾构机掘进速率提升至10.42mm/min,极大的提高了施工效率。研究结果对起爆技术改进和夹制力大的孤石爆破具有一定的指导意义。     

起爆方式对岩石爆破裂纹扩展影响的实验分析

为了了解硬岩爆破施工中,提高炸药能量利用率的最佳起爆方式或药包结构,在聚能作用和岩石破碎理论的基础上,分析了空穴聚能、爆轰聚能的聚能作用和爆破裂纹产生机理及准则。通过实验研究了中心雷管、空穴聚能和爆轰聚能的装药方式下爆破裂纹扩展规律。结果表明,3种装药方式下的岩石破碎区范围相差不大,但是中心雷管起爆时岩石径向裂纹较均匀,空穴聚能时在聚能罩的方向上形成较宽、较长的爆破裂纹,爆轰聚能在起爆点中心轴线上形成大的扩展裂纹,虽其宽度和长度均略小于空穴聚能装药,但该方法避免了金属材料的消耗和繁琐的施工工艺。结合红沿河核电站取水隧洞盾构孤石预裂爆破施工,开展的爆轰聚能的工业应用实验表明,采用爆轰聚能爆破技术使孤石强度大幅降低,减少了孤石对盾构机刀盘的磨损,避免了卡钻现象,使盾构机掘进速率提升至10.42mm/min,极大的提高了施工效率。研究结果对起爆技术改进和夹制力大的孤石爆破具有一定的指导意义。     

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。     

延时时间对岩石爆破效果影响的探讨

为了研究延时时间对岩石爆破效果的影响,通过制作混凝土砂浆材料延时爆破实验模型,对不同延时时间下岩石爆破裂纹扩展进行了研究,并利用超动态应变仪对不同测点的应变大小进行了分析.结果表明:与同时起爆相比,逐排延时起爆的后排炮孔(炮孔2、4)在垂直自由面方向裂纹扩展的更加充分;炮孔沿着最小抵抗线方向,微秒延时(100、300、...     

层理发育软硬层叠岩体大密集系数爆破技术研究

为了解决露天台阶传统爆破方法难以克服的诸多困难,依据黑岱沟露天煤矿岩体层理发育、软硬岩层叠置的实际条件,提出了利用空气间隔装药技术均衡炮孔内爆轰压力、毫秒延时逐孔起爆和大密集系数爆破技术方案。用三维数值模拟了双排多炮孔在爆炸荷载作用下逐孔起爆时,台阶爆破困难部位的岩体受力状态,证实了方案的可行性,并用现场试验验证了数值模拟确定的主要爆破技术参数的可用性。空气间隔装药、毫秒延时逐孔起爆和大密集系数布孔等技术的综合利用,实现了层理发育、软硬岩层叠置复杂岩性条件下,露天台阶深孔爆破爆堆松散、无根(拉)底和岩石破碎块度均匀、大块率低的良好效果,经济效益显著。     

起爆方式对台阶爆破根底影响的数值模拟分析

在台阶爆破中,根底率是评价爆破效果的一项重要指标。根据爆前、爆后岩体声波降低率,计算爆后保留岩体的损伤大小,确定临界破碎状态对应的损伤阈值。基于LS-DYNA的二次开发爆破损伤模拟技术,采用拉压损伤模型,对台阶爆破不同起爆点位置的爆破损伤效应进行数值模拟,并重点比较正向起爆和反向起爆条件下,相邻炮孔之间爆破根底的分布情况。模拟结果表明:起爆点位置能够影响能量和应力的分布状态,导致不同的爆破效果,正向起爆对孔底岩体有较好的破碎效果,能够有效地消除爆破根底,提高爆后台阶面的平整度。     

深部高地应力下岩石双孔爆破的损伤规律

为了研究岩石在深部高地应力下的爆破损伤演化规律,基于HJC损伤本构建立岩石双孔爆破模型,采用隐-显式序列算法,综合考虑炮孔间的相互作用、埋深以及侧应力系数因素的影响,设置不同工况条件开展数值计算。结果表明:无地应力条件下,在孔距50～130 cm变化的过程中,发现沿炮孔孔心连线方向的损伤半径逐渐增大,垂直孔心线方向损伤半径逐渐减小;有效破碎面积的变化呈现钟形曲线,存在最佳孔间距d=70 cm使孔间损伤裂纹贯通的同时,有效破碎面积达到最大。地应力工况条件下,在侧应力系数λ=1时,有效破碎面积减小,x和y方向损伤半径均减小,损伤裂纹的扩展受到抑制。而在λ≠1时,损伤裂纹更偏向于地应力较大的方向发育,另一方向的损伤扩展受到抑制。深度即地应力的大小对岩体爆破效果并无线性关系,深度越大,对应侧应力系数下地应力对爆破效果的作用越明显。     

柱状装药不同起爆方式的数值模拟研究

运用三维非线性动力有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA对柱状装药3种起爆方式下的爆轰过程和岩石中的应力波传播特征进行模拟。分析不同起爆方式下岩石中应力波的叠加和传播过程,对比岩石的应力状态、应力水平和振动响应。分析结果表明:不同起爆方式下岩石中应力波的传播方向、大小不同,引起的振动响应也不同;反向起爆时岩石自由面的拉应力和振动速度峰值较正向起爆时大;反向起爆时孔底近区的应力水平较正向起爆和双向起爆时大。综合考虑岩石的应力和振动响应,可得反向起爆的爆破效果较正向起爆和双向起爆好。     

非对称不耦合装药结构对预裂爆破效果的影响

为降低爆破开挖对保留区岩体的损伤,采用数值模拟的方法,研究不同装药结构对预裂爆破效果的影响,发现相比于中心单药卷和偏心双药卷,偏心单药卷装药结构下的预裂缝成型效果最佳,且其炮孔壁上的爆炸荷载在保留区一侧较小,在开挖区一侧较大,能在降低爆破开挖对保留区岩体损伤的同时将爆炸能量更多的作用于开挖区岩体。基于偏心单药卷装药结构,在综合考虑预裂缝成型效果和保留区岩体损伤程度的情况下,通过数值模拟的方法研究了爆破参数对预裂爆破效果的影响,结果表明:在不耦合系数为1.68,炮孔间距为70 cm的条件下,预裂爆破效果最佳。     

装药结构对切缝药包爆破效果影响的研究

为了研究装药结构对切缝药包爆破效果的影响,采用新型数字激光动态焦散线测试系统和数值模拟相结合的方法,对比分析了切缝管内耦合装药与不耦合装药方式下切缝药包的冲击动力学行为和爆生裂纹的动态力学行为。研究结果表明:切缝药包定向爆破效果显著,爆生主裂纹的扩展形式以拉伸断裂模式为主,爆生气体的楔入作用是裂纹持续扩展的重要驱动力;切缝管和透射压力波均对孔壁造成冲击破坏,在炮孔周边产生与切缝方向成一定角度的"X"交叉型次裂纹和微小的密集裂隙区,耦合装药比不耦合装药所成角度更大,裂隙数量更多;采用不耦合装药结构爆破时,爆生主裂纹的扩展距离更长,扩展速度和动态应力强度因子更大;数值模拟结果显示,不耦合装药结构使得爆轰波对炮孔壁的冲击作用降低,爆生气体的准静态作用加强。与耦合装药相比,能够增大试件在切缝方向的应力集中程度,提高爆生主裂纹的断裂力学参数。     

立井深孔直眼掏槽大直径中心空孔作用分析和参数计算

为提高立井基岩段掘进爆破效率,改善破碎块度,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,探讨深孔直眼掏槽大直径中心空孔的作用机理。理论研究表明:空孔为装药掏槽炮孔提供了一个与其相平行的辅助自由面和破碎岩石的补偿空间,加大了爆炸应力波的反射拉伸作用,空孔的存在造成了槽腔岩石中的拉应力集中,从而增大了岩石中的拉应力作用强度,引起槽腔中裂隙的进一步扩展延伸,使槽腔内岩石的破裂和破碎更充分。数值模拟结果进一步验证了大直径中心空孔所具有的应力叠加和反射拉伸作用。在此基础上,对空孔与装药孔间距的合理取值进行了理论分析计算,中心空孔应处在掏槽孔形成的爆破裂隙区之内,并选用较大的松动爆破作用指数进行设计。     

单自由面垂直炮孔爆炸作用的数值模拟

为了考查无空孔直眼掏槽爆破参数 ,采用数值模拟方法研究单自由面垂直炮孔的爆炸作用问题。数值模拟结果表明 ,在堵塞条件一定时 ,单自由面垂直炮孔爆破漏斗与装药长度无关。对于本算例所选取的炮孔参数、装药参数和岩石参数 ,爆破漏斗深度约为1～ 2m ,是孔径的 2 5～ 5 0倍。     

爆破荷载作用下脆性材料水耦合断裂行为

通过水介质耦合爆破实验和数值方法研究了爆破荷载条件下的动态压裂行为和裂纹扩展行为.实验以透明均质的PMMA为实验材料,水为耦合介质,通过DDNP起爆来开展实验.视觉观察是理解爆破荷载下动态压裂和裂纹传播过程的有用手段,因此在爆破试验中借助高速摄像机观察了压裂和裂纹传播过程,从定量和定性两方面对裂纹扩展行为进行了分析.结果表明:在爆破荷载作用下,炸药爆炸后产生的裂纹主要来源于水楔作用且作用时间远大于类似水激波的作用时间,试件中产生大量条形裂纹以及大小不一的耳状裂纹,并且水介质耦合能够得到较为均匀对称的爆破效果.利用商用数值模拟软件AUTODYN进行了数值模拟再现了试件的裂纹扩展过程,得到爆破过程中的孔壁压力,与实验结果对比发现相似度较高.