松软低透煤层深孔微差聚能爆破致裂机理

针对松软低透煤层微差聚能爆破致裂增透问题,在分析微差聚能爆破作用过程及影响因素的基础上,利用流固耦合算法建立了微差聚能爆破数值模型,研究了煤体单元应力及裂隙发育特征,并通过煤层深孔微差聚能爆破现场试验探讨了微差聚能爆破致裂机理及对煤层增透的影响。结果表明:深孔微差聚能爆破的新自由面和应力波叠加效应是促进爆生裂隙扩展、衍生裂隙形成的关键因素,炮孔间煤体在短时间内经两次爆破作用使裂隙进一步发育和扩展。先爆炮孔为后爆炮孔提供了新的裂隙面,爆炸应力波经裂隙面绕射、反射并与入射波叠加,使裂隙面附近煤岩体处于拉伸应力状态并促进衍生裂隙的形成;后爆炮孔利用先爆炮孔形成的残余应力场使爆生裂隙密度增加,扩大了煤体致裂范围。微差时间与炮孔间距是影响爆生裂隙扩展特征的重要因素,在其他条件不变的情况下,两者共同作用决定了爆生裂隙的发育形态。当先爆炮孔产生的应力波在微差时间内传播距离小于炮孔间距时,爆炸应力波在两炮孔间煤体中相互叠加增强,随后在裂隙面之间发生反射形成拉伸应力波对煤岩体产生复杂的破坏作用,在原有爆生裂隙间形成新的裂隙。煤层实施深孔微差聚能爆破后增透效果显著,先爆炮孔附近煤体裂隙在后爆炮孔作用下进一步发育,炮孔间煤体裂隙随孔间距减小更易贯通。     

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。     

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。     

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。     

不同切槽孔方向爆生裂纹扩展行为试验与分析

为研究炮孔不同切槽方向对爆生主裂纹动态扩展行为的影响,采用数字激光动态焦散线实验系统,研究了5种不同切槽方向时爆生裂纹扩展及相互影响规律。研究结果表明:1切槽方向夹角角度不同,爆生主裂纹的扩展轨迹有明显差异。2切槽方向夹角度数越大,则在爆生主裂纹扩展中期裂纹扩展速度越大。3切槽方向夹角为90°,135°,180°试件的爆生主裂纹尖端KdI会出现第2次峰值。     

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。     

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。     

中间起爆柱状药包爆炸应力应变场演化规律

结合动态焦散线、超动态应变测试和数值分析方法,对中间起爆柱状药包爆炸材料中的应力应变场以及爆生裂纹尖端局部应力场的演化规律进行了研究。3种分析方法得到的结论具有一致性。由焦散线方法可得,中间位置起爆柱状药包中垂线方向、端部垂线方向、端部轴向和端部倾斜方向主应力差值依次减小,各方向近炮孔圆孔处主应力差最大值分别为50.9,29.9,15.3和13.3 MPa,端部效应明显。由于爆炸应力波迅速衰减,圆孔处主应力差值差异随距离炮孔距离的增加逐渐减小。利用小圆孔可有效的对裂纹影响大小和影响范围进行测量,当爆生裂纹扩展到圆孔附近时,受爆生裂纹尖端局部应力场的影响,圆孔处焦散斑呈增大趋势,随着裂纹的不断扩展,其圆孔处焦散斑方向随之不断变化。由超动态应变测试方法可得:炮孔柱部由于应力波的叠加,垂直炮孔方向应变持续时间为40 μs,主要表现为压应变,炮孔端部轴向应变持续时间为10 μs,首先表现为压应变,随后转为拉应变并持续了较长时间。数值模拟得到了炮孔周围4个方向应力衰减的拟合曲线,弥补了实验方法不能测得炮孔近区应力应变场演化规律的缺陷。中间起爆柱状药包显著改善了沿炮孔轴线爆炸应力场的均匀程度,有利于岩石的破碎,从而提高炮眼利用率,减少岩石大块率。     

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。     

爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧原先裂纹扩展机理研究

为探究爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧围岩中原先裂纹的扩展机理,采用动态焦散线方法进行了试验研究.研究发现:爆炸载荷作用下,裂纹动态断裂韧度与硐室自由面和裂纹倾角无关,但硐室自由面的存在使预制裂纹的起始扩展时间提前;迎爆侧围岩中预制裂纹的扩展方向与硐室自由面、炮孔处诱发主裂纹扩展方向以及硐室围岩应力分布特征有很大关联.预制裂纹扩展初期,由于自由面反射拉伸波的作用,裂纹近似竖向扩展;裂纹扩展中期,炮孔诱发主裂纹对应力波能释放的导向性改变了预制裂纹周边应力场,使裂纹扩展方向与主裂纹扩展方向基本平行;裂纹扩展后期,受邻近硐室自由面应力分布特征影响,裂纹扩展方向偏向于拱形部位,并最终与拱形部位贯穿.结合LS-DYNA软件,分析了爆炸载荷下邻近硐室围岩应力分布特征,从迎爆侧底角到起拱点再到拱顶,有效应力表现为先减小后增大再减小的规律.其中,极大值点位于底角、起拱点和拱顶之间位置,极小值点位于直墙位置,最终导致预制裂纹往往止裂于拱顶与起拱点之间的某一位置.     

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。     

多孔台阶爆破破裂过程的模型试验研究

应用高速摄影仪和超动态应变仪研究模拟台阶爆破的水泥砂浆模型破裂过程,解决了三维模型爆破试验中装药结构、可靠起爆和同步实现等一系列技术问题.研究了水泥砂浆台阶爆破裂纹的起裂、扩展、分叉、止裂.实验发现,裂纹扩展速度一般为400～600 m/s;密集系数m影响台阶爆破炮孔间裂纹贯通时间,并随m增大而推迟,应变波持续作用时间和最大拉应变峰值随m增大,说明较大m提高了炸药能量利用率,使爆破微裂纹充分发育,爆破破碎块度合理.     

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。     

岩体爆破综合实验研究系统及其应用

为定量分析研究毫秒延时爆破破岩过程特征物理量分布演化机制,进一步优选爆破参数、完善毫秒延时破岩机理,进行了室内毫秒延时台阶爆破相似模型实验。应用高速摄影机和超动态应变仪建立综合实验研究系统,对毫秒延时爆破进行动态实时监测,得到台阶自由面处裂纹扩展规律和延时时间对边坡表面应力峰值及内部应力场叠加的影响程度。结果表明,确保后序药包起爆时已形成新自由面的最小临界延时为9 ms;设计延时为15 ms或25 ms时,可降低对边坡表面应变峰值影响程度;为促进相邻炮孔爆炸应力波充分叠加、增强岩体破碎效果,孔间延时最大临界值为15 ms。综合考虑坡体应力状态及台阶爆破效果双重因素,实验条件下最优孔间延时为15 ms。     

爆炸应力波作用下层理介质断裂的动焦散实验分析

利用爆炸加载动焦散试验系统，进行了有机玻璃的透射式动焦散试验.记录了含层理介质裂纹扩展的全过程，发现裂纹穿过层理偏移一定距离后继续扩展的现象.给出了爆炸荷载作用下裂纹尖端应力强度因子随时间的瞬态变化曲线.对爆炸应力波在层理介质中引起断裂的机理进行了进一步的研究，讨论了层理对应力波传播的影响.利用应力波传播理论分析，得出层理中裂纹与层理后裂纹产生的机理不同，为层理岩体定向断裂控制爆破研究提供了新方法.     

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378,10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。     

多孔同段聚能爆破煤层增透数值模拟及应用

构建三维多孔同段(多个炮孔同时起爆)聚能爆破模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件再现聚能射流及爆炸应力波传播与叠加的过程,探讨应力波的传播规律;同时对多孔同段聚能爆破下不同间距炮孔间的煤体单元应力进行了分析。研究结果表明,炸药爆炸后形成聚能射流侵彻煤体,随后形成的爆炸应力波沿着各自的方向传播,之后相遇叠加,相邻炮孔间距越大,应力波叠加所需时间越长且叠加应力越小;比较不同间距相邻炮孔间煤体单元应力,发现裂隙首先在炮孔周围产生,随着爆轰气体的传播,裂缝将主要沿着炮孔连线扩展。只要相邻炮孔间距得当,相邻炮孔间煤体区域相当于受到2次爆破作用,使得煤体裂隙充分发育并相互贯通,提高瓦斯抽采率。同时在平顶山开展了煤层多孔聚能爆破现场实验,结果表明多孔聚能爆破能有效提高煤体致裂程度,同时确定了多孔聚能爆破最佳相邻炮孔间距。     

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。