瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理研究

利用试验结果、数值计算结果和理论分析结果综合分析了瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理。煤体爆破损伤断裂过程包括爆炸应力波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体共同作用的后期阶段,瓦斯气体在整个过程中具有积极作用,它能增大爆破损伤程度和爆破裂纹扩展速度。在爆炸应力波作用阶段,瓦斯气体的存在能增大应力波峰值和作用时间,降低拉伸相内应力波衰减速度;在爆生气体作用阶段,瓦斯气体参与爆生气体驱动裂纹扩展,随后瓦斯压力场与爆生气体准静态应力场叠加促进爆生气体驱动裂纹的进一步扩展。     

岩体巷道光面爆破参数的分析与应用

在强度高、完整性好的岩体中实施光面爆破,通常都能取得较理想的爆破效果.对于软弱破碎岩体,由于各种结构弱面和夹层,以及岩体的振动损伤,按常规法参数设计的光面爆破,一般很难获得较好的爆破效果.针对此类岩体,分析了光面爆破作用机理和作用过程以及岩体损伤特性,基于应力波与爆生气体综合作用原理,提出了不考虑损伤和考虑损伤条件下,光面爆破参数确定的理论计算方法.通过与常用光面爆破参数的比较和现场爆破论证说明,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论的光面爆破计算公式,适用于软弱破碎岩体及损伤岩体光面爆破参数的确定;软弱破碎岩体的光面爆破,爆炸应力波使炮孔眼壁产生初始裂纹,爆生气体准静压力在裂缝的扩展、贯通过程起了主导作用;光爆层损伤后,周边眼炮孔间距和抵抗线可适当加大.     

爆生气体在煤体爆破过程中的作用分析

基于断裂力学理论,对煤体内的准静态应力场和爆生气体驱动裂纹扩展模型进行分析计算,探讨了爆破荷载作用下的裂纹扩展长度。通过模拟煤体爆破试验,对裂纹扩展状况的分析结果表明,煤体爆破裂纹扩展长度与煤体纵波波速和抗压强度成反比,与孔隙率成正比;炮孔堵塞情况下裂纹数量和裂纹长度是不堵塞情况下的1.5~3倍,从而验证了煤体爆破过程中,爆生气体准静态应力作用是爆破裂纹扩展和爆破破碎的主要原因。     

数值分析模拟爆生气体作用下岩石裂纹扩展研究进展

论述了岩石爆破理论,岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理.及爆生气体的准静态作用对裂纹扩展的影响,阐述了岩石爆破模型的研究现状,并总结爆生气体作用下岩石裂纹的扩展过程数值模拟的最新进展,从而推动岩石爆破理论的发展.     

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．     

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。     

定向断裂控制爆破机理综述

作者从理论上将光面爆破、预裂爆破、切槽爆破、切缝药包爆破,聚能药包爆破等常用控制爆破统称为定向断裂控制爆破。综述了爆破破裂过程中爆生气体作用和应力波作用,重点分析了圆形炮孔爆破的成缝机理。     

煤体爆破损伤断裂过程与机理研究

设计模拟了煤体爆破损伤断裂试验,对模拟煤体中的超声波波速、应变和裂纹扩展速度进行测试,综合试验结果和损伤断裂力学理论揭示了煤体爆破损伤断裂过程与机理。煤体爆破损伤断裂过程可分为快速发展、稳态发展和缓慢发展3个阶段,首先是爆炸应力波引起并促进径向裂纹快速扩展,随后是爆生气体和远场应力共同作用驱动裂纹稳态扩展,最后是爆生气体与瓦斯气体准静态应力场和远场应力共同作用促使裂纹缓慢扩展,该阶段是煤体爆破损伤断裂的主要阶段。瓦斯对煤体爆破损伤断裂全过程均有积极作用,但主要体现在缓慢损伤断裂阶段。     

岩体结构面对光面爆破效果的影响分析

基于光面爆破机理和平面弹性波理论,分析了爆炸应力波、爆轰气体对不同方位岩体结构面的作用过程,揭示了结构面影响光面爆破效果的原因。认为岩体结构面与预定光面相交,当二者交线与两炮孔连心线垂直时,结构面的阻隔作用将削弱爆炸应力波、爆轰气体准静态压力分别在炮孔连心线上的叠加,预定光面难以形成;当二者交线平行于两炮孔连心线(结构面走向与连心线方向一致)时,结构面具有自由面的作用,光面爆破效果亦难保证。     

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。     

对切槽定向断裂控制爆破的探讨

通过定性分析和定量计算表明：切槽孔的定向作用是显著的、裂纹扩展的驱动力主要是爆生气体的准静态压力，采用切槽孔爆破可以加大炮孔间距，从而减少炮眼数目，提高施工速度。     

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。     

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。     

煤体爆破作用机理模拟试验研究

为进一步改善煤体爆破效果,在岩石爆破理论基础上分析了煤体爆破作用特点与原理,确定了煤体爆破损伤断裂准则。试验结果表明：煤体中爆炸应力波一般包含两段波形,爆炸应力波的衰减速度较一般岩石更快,爆炸应力波的主要作用是形成少量新裂隙、激活原生裂隙并打破瓦斯气体的平衡状态;煤体爆破损伤包含爆炸波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段,在近区,爆破损伤以爆炸波的衰减速度迅速减小;中远区在准静态爆生气体和瓦斯气体压力作用下爆破损伤缓慢减小。LS-DYNA数值模拟结果表明,瓦斯对煤体爆破具有积极作用,瓦斯压力可以增大应力波作用时间和应力峰值。煤体爆破是爆炸应力波、爆生气体和瓦斯气体共同作用的结果。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟

针对高瓦斯低透气性煤层，采用Taylor方法建立了一个新的LS-DYNA3D爆破损伤模型，对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究，再现了爆破过程中，动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距为5~6 m，为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.     

基于LS-DYNA与PFC联合的岩体爆破数值模拟方法分析

岩体爆破过程中,爆炸应力波的加载率大,而爆生气体的加载率小,导致在炸药爆炸过程中爆炸应力波和爆生气体的作用时间存在明显不同.依据这一认识将岩体爆破过程分为2个阶段,即"动压作用"阶段和"准静压作用"阶段.基于LS-DYNA和PFC程序,建立了改进的岩体爆破离散元模拟方法.采用PFC程序建立岩体模型,实现岩体破裂、抛掷的模拟;采用LS-DYNA动力有限元程序获得炸药爆炸所产生的爆炸应力波,实现动压作用过程的模拟;采用Weibull分布函数建立爆生气体压力加载曲线,实现准静压过程的模拟.以山东黄金某金矿为依托,采用该方法开展单自由面球状药包爆破模拟,分析了爆破过程中的裂纹产生、发展过程以及速度场的演化规律,并开展了现场爆破漏斗试验,试验结果表明采用该方法所得到的数值计算结果与现场爆破试验结果相吻合,验证了本文所提出的岩体爆破模拟方法的可行性与合理性.     

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。     

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,...     

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。     

裂隙岩体爆生裂纹扩展机理数值模拟研究*

为研究裂隙岩体爆破裂纹扩展机理,采用LS-DYNA软件模拟含竖向单裂隙、水平单裂隙和竖向平行裂隙的岩体爆破过程,并讨论原岩应力对裂隙岩体爆破的影响。结果表明：炮孔连线中心处存在竖向单裂隙时,孔间裂纹均能实现贯穿,裂隙有闭合的趋势,且裂隙的存在有利于提高孔间岩石的破碎程度。炮孔连线处存在竖向平行裂隙时,裂隙尖端萌生的翼裂纹可以贯通,但平行裂隙之间无法实现良好的破岩效果。水平裂隙距炮孔较近时,应力波透射至裂隙面背爆侧后会产生较多拉伸裂纹。水平裂隙距离炮孔较远时,裂隙的阻隔作用较明显。在静水地应力作用下,岩石径向拉伸裂纹和尖端翼裂纹的萌生与扩展均受到抑制作用。在非静水地应力作用下,裂纹扩展在最小主应力方向受到的抑制作用更大,且该抑制作用随最大主应力的增大而增大。