爆炸作用下介质损伤破坏的分形研究

根据盒维数的计算原理,提出了爆炸载荷下爆生裂纹分形维数的计算方法,并建立了分形维数与爆破损伤度之间的对应关系。利用Matlab软件编写了基于数字图像的爆生裂纹盒维数算法。利用该算法对普通药包和切缝药包两种爆破方式下爆生裂纹的分形特征进行了分析,确定了炮孔周围不同区域的损伤度。结果表明,在普通药包爆破中,随着爆生裂纹的扩展,爆破引起介质的损伤逐渐降低,在炮孔相同距离处,介质的爆破损伤度基本一致。在切缝药包爆破中,爆破介质的损伤度有区域性和方向性特征,在爆生裂纹I区,沿切缝方向产生的爆破损伤较普通药包爆破时相应区域的损伤程度略有降低,且切缝方向的损伤度下降更为显著;对于爆生裂纹II区,沿切缝方向产生的爆破损伤高于普通药包爆破时相应区域的损伤度,而非切缝方向的爆破损伤有明显下降;对于爆生裂纹III区,沿切缝方向产生的爆破损伤明显增加,相应非切缝方向产生的爆破损伤显著降低。基于分形维数的爆破损伤度计算,可用于定量评价爆生裂纹的空间分布特征,为研究岩石爆破损伤的演化规律提供了一条新的途经。     

定向断裂控制爆破机理及应用

综合运用高速激光纹影仪、超动态应变测试技术、数字激光动态焦散线试验系统等试验手段,着重研究了切缝药包定向断裂控制爆破机理,通过纹影试验多角度观测了爆轰波动的传播过程,实现了爆炸应力波与爆生气体的分离;分析了切缝药包径向不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应,对比了不同装药结构对爆生裂纹扩展的影响,确定了径向不耦合系数为167时定向断裂控制爆破效果最佳;开展了切缝药包轴向不耦合装药爆破水泥砂浆模型试验,揭示了爆炸应力场的空间分布规律;研究了双炮眼切槽方式下同时起爆,两炮眼间贯穿裂纹和炮眼外侧裂纹扩展的动态行为。最后,将切缝药包定向断裂控制爆破技术应用于煤矿岩巷、立井、隧道和边坡工程的爆破施工中,取得了较好的效果。研究成果可为工程实践提供试验依据和理论指导。     

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。     

切缝药包爆破中爆生气体作用的试验研究

切缝药包爆破是目前在实际工程中应用的定向断裂控制爆破方法,为更好地研究和使用这种爆破技术,使用高速摄影技术观察模型试件裂纹扩展过程,研究切缝药包爆破中爆生气体的作用机理。试验结果表明,切缝管对爆生气体的约束作用使得沿切缝方向的裂纹扩展得到加强,而爆生气体的准静态压力没有作用于其它方向的裂纹。     

切缝药包光面爆破裂纹扩展时空演化分析

光面爆破机理复杂,裂隙演化具有不确定性,现场试验难以完整观察到炮孔间裂纹的起裂、扩展至贯通。采用CAD与ANSYS联合建模技术构建空气不耦合光面爆破数值模型,运用显式动力分析软件LS-DYNA定义岩石单元失效计算获得切缝药包光面爆破裂纹扩展演化过程,从时空演化角度研究光面爆破裂纹扩展规律,从而为矿山巷道爆破工程提供更精确的指导。研究结果表明:1)CAD与ANSYS联合建模技术弥补了ANSYS对于复杂模型构建的缺陷,实现精确耦合数字建模;2)定义岩石单元失效方法可以使得爆破裂纹演化过程更为直观,切缝药包爆破相较一般空气不耦合装药结构爆破,炮孔周壁产生的径向裂纹和分叉裂纹显著减少;3)模拟不耦合系数1.5、1.8、2.25切缝药包光面爆破裂纹扩展时空过程,发现切缝药包爆破裂纹扩展演化规律,其裂隙数量随着不耦合系数的增大而减少,裂纹扩展演化长度也随之变短,分叉裂纹扩展演化明显降低,当不耦合系数为1.8时,数值模拟切缝药包爆破裂纹扩展演化形成较佳的贯通裂纹,获得较好的爆破效果。     

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。     

中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研

分析了切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展机理,在切缝处应力集中和压力差共同作用下形成初始裂纹,而后的裂纹扩展经历了切向拉伸应力作用下的扩展阶段、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3个阶段。在理论分析的基础上结合工程实际,提出了切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术。现场应用效果表明：切缝管爆破可提高炮孔利用率和眼痕率,降低爆破对围岩的扰动损伤,改善掏槽爆破和周边爆破效果,有利于提高巷道掘进速度。     

中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研究

分析了切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展机理,在切缝处应力集中和压力差共同作用下形成初始裂纹,而后的裂纹扩展经历了切向拉伸应力作用下的扩展阶段、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3个阶段。在理论分析的基础上结合工程实际,提出了切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术。现场应用效果表明:切缝管爆破可提高炮孔利用率和眼痕率,降低爆破对围岩的扰动损伤,改善掏槽爆破和周边爆破效果,有利于提高巷道掘进速度。     

铁矿巷道周边定向断裂爆破机理及现场试验研究

为研究切缝药包定向断裂爆破技术在硬岩巷道的适用性,分别通过双孔普通药包和双孔切缝药包数值模拟,铁矿巷道现场试验进行对比,并利用多重分形谱参数对现场试验结果进行定量化评价。试验结果表明,切缝药包能量分配更合理,聚能效果明显,有利于裂纹贯通。现场对比试验中,切缝药包效果优于普通药包,半眼痕率达80%以上。普通药包周边爆破爆后围岩多重分形谱的开口宽度△α、维差△f分别为0.222和0.123,切缝药包周边爆破爆后围岩多重分形谱的开口宽度△α和维差△f分别为0.057和0.016,多重分形谱非对称指数I_(AS)的绝对值分别为0.774和0.122。研究结果表明:切缝药包周边爆破定向断裂效果明显,围岩表面更为光滑平坦,此定向断裂技术同样适用于铁矿巷道等硬岩巷道。     

不同结构切缝药包爆炸效应试验研究

矿山掘进中,合理的切缝药包结构参数对定向断裂爆破技术有非常重要的作用。介绍了开展铅柱中切缝药包爆破试验,运用正交设计法对切缝管材质、壁厚、切缝宽度、切缝长度以及切缝药包在炮孔中的不耦合系数进行优化,确定切缝管工业化生产合理的结构参数,并通过殉爆测试验证了切缝方向的定向效果。现场试验表明,切缝药包定向断裂效果显著,巷道周边爆破的半眼痕率都在90%以上,大幅度减少超挖现象,提高了掘进速度。     

切缝药包在露天控制爆破中的应用研究

为解决传统预裂爆破与光面爆破技术难以满足现如今高质量、高标准施工要求的难题,根据切缝药包的作用机理,对切缝药包在边坡预裂爆破中的应用进行研究。根据现场施工情况,设计相应爆破参数,进行切缝药包预裂爆破参数优化试验,并对切缝药包预裂爆破和传统预裂爆破的工程应用进行对比研究。试验结果表明:在中硬岩、90 mm直径预裂孔的条件下,采用外径40 mm、内径36 mm,切缝长度0.8m,切缝宽度10mm的PVC管作为切缝管进行切缝药包预裂爆破,其爆破效果较好;通过与传统预裂爆破相比,切缝药包预裂爆破后预裂缝宽度增加了1.12倍,预裂面不平整度减少了52.8%,半孔率提高了21%,振动速度峰值降低了29.02%,有效减少了爆破能量对保留边坡与周边构建筑物的损害,显著提高了爆破施工的质量。     

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。     

切缝药包空气间隔装药爆破的动态测试

为了研究不同装药结构的爆破效应，利用超动态应变测试系统，研究了水泥砂浆中切缝药包空气间隔装药爆破介质的动态响应。研究结果表明:采用空气间隔装药后，与连续装药相比，试件内同一位置应变峰值降低，空气柱起到了缓冲和储能的作用；切缝药包爆破中，切缝方向应变衰减速度较快，而随着距炮孔距离的增加在平行和垂直切缝方向的应变值则越来越接近；轴向不耦合系数在1.5～2.0之间爆破效果较好，间隔长度过大时，切缝方向和垂直切缝方向应变的比值有降低的趋势，影响定向爆破效果。研究结果为实际工程爆破提供了实验依据。     

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。     

切缝药包微差爆破爆生裂纹扩展机理

为了研究切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征,采用新型数字激光动态焦散线测试系统进行4组微差起爆实验。研究结果表明:随着延迟时间的增长先爆炮孔产生的裂纹长度依次增加,其受应力波作用前的扩展距离占总距离的比例依次增高,裂纹的贯通点逐渐靠近后爆炮孔,呈"牵手"状分布;应力波正压区的压缩作用和负压区的拉伸作用分别能够降低和提升对面裂纹的扩展速度v,延迟时间越长,裂纹扩展速度降低后的峰值越低,提升后的峰值越高,爆炸应力波在对面裂纹尖端产生的压应力场会降低其动态应力强度因子KdI,延迟时间越长,峰值越小;裂纹相遇时,扩展速度v和动态应力强度因子KdI都呈现增大趋势,且相遇越早,速度峰值越大;当微差时间满足一定条件时,先爆炮孔产生的应力波在后爆炮孔孔壁附近形成拉伸应力场,有利于裂纹萌生。     

周边控制爆破对围岩损伤的分形研究

周边控制爆破后,形成的围岩表面可视为分形,其分形的维数反映了岩石经历的爆破过程。利用分形几何理论,分析周边控制爆破对围岩的损伤,导出相应的关系式,并对定向断裂周边控制爆破在降低爆破对围岩损伤方面的作用进行了讨论。研究结果对改进周边控制爆破参数,提高爆破效果,实现围岩支护的最优化十分有益。     

爆破作用下低渗砂岩铀储层的岩石损伤范围研究

爆破增渗方法可有效提升地浸采铀效率，而爆破范围是影响增渗效果的关键参数。为了研究低渗砂岩铀矿中爆破损伤范围分布特征和裂纹扩展规律，基于LS-DYNA软件，采用RHT材料模型，分析了不耦合系数K和地应力对砂岩爆破损伤区范围和裂纹扩展的影响规律。结果表明：随着不耦合系数K的增大，岩石的粉碎区半径逐渐减小，缩减至同炮孔半径近似；裂隙区裂纹呈现先增大，后稳定的分布规律，在K=1.75取得了较好的爆破效果。随着地应力的增大，岩石的粉碎区形状和范围基本不发生变化，而裂隙区范围整体呈现先缩小后稳定的分布规律。本研究对低渗砂岩铀矿爆破增渗中爆破范围的确定具有理论指导意义。