Development of a micro-joule portable LIBS system and the preliminary results for mineral recognition

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been extensively applied due to the capabilities of real-time, multi-phase and multi-element analysis. With the advantages, portable LIBS is in rapid development with great potential of field measurements. In this work, a portable LIBS was developed by a 50 μJ level laser for excitation and an objective lens for focusing or imaging. Element detection was successfully achieved by this setup, and also the microscopic observation could be obtained with the magnification of 350×. A preliminary investigation was carried out for mineral recognition by the developed portable LIBS. The obtained results indicate that the element detection combined with micro observation was an effective way for recognizing minerals, especially for similar mineral identification or discrimination. It is suggested that the micro-joule laser could be alternative for the commercial portable LIBS, and the on-site mineral or rock recognition is a promising field for the application.     

切缝药包爆破定向断裂机理及围岩损伤特性分析

依据弹性波动理论，结合冲击波在岩石或类岩石介质中的传播规律，建立了切缝药包爆破时切缝方向与非切缝方向的孔壁峰值应力、粉碎区和裂隙区范围之间的比例关系。利用AUTODYN软件建立了切缝药包爆破模型，在其切缝方向与非切缝方向各等间距设置5个测点，对测点处的应力峰值、爆破振动速度峰值以及峰值对应的时间进行了分析。而后基于淮南矿区顾北煤矿的巷道爆破试验，进行了普通药包、切缝药包以及不同周边孔间距的爆破试验，研究了切缝药包以及周边孔间距的大小对围岩损伤度的影响。结果表明，使用切缝药包爆破时，在其切缝方向会产生爆轰产物射流和应力集中，同时会减弱非切缝方向的应力峰值和爆破振动速度，延缓非切缝方向的能量传播速度，减弱非切缝方向的能量传播大小，从而达到定向断裂的目的；通过现场试验可以发现，使用切缝药包比使用普通药包爆破后，围岩的损伤度下降了30%以上；当使用切缝药包爆破时，随着周边孔间距的增大，爆后围岩损伤度呈下降趋势。      

软硬介质组合岩体冲击动力学特性研究

为探究破岩和支护工程中较为常见的软硬介质组合岩体的冲击动力学特性，采用普氏系数差别较大的花岗岩和砂岩拼接成软硬介质和单介质组合岩体，利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统，分别对组合岩体进行冲击压缩试验，对比分析应力波入软硬介质和单介质组合岩体的波动特性、峰值强度以及利用高速相机记录组合岩体裂纹扩展形态。通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method, DLSM)数值模拟进行全方位的反演分析，研究软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石的应力时程曲线变化规律，并利用“软硬组合系数”表征软硬介质组合岩体损伤演化规律。研究结果表明，组合岩体的波动特性具有明显的波阻抗效应，组合体和入射杆波阻抗匹配效果越好，反射波幅值越小，透射波幅值越大。相同冲击速度下，软硬介质组合岩体的峰值强度与单介质软岩组合体的峰值强度较为接近；软硬介质组合岩体和单介质组合岩体破坏程度和破坏形式明显不同：软硬介质组合岩体裂纹首先出现在远离胶结面的砂岩端部，而单介质组合岩体裂纹首先出现在胶结面处。单介质组合岩体以剪切破坏为主，局部张拉破...     

冲击荷载下含层理介质动态裂纹扩展特性研究

利用数字激光动态焦散线实验系统（DLDC），对含不同层理角度（30°，45°和60°）的3组有机玻璃板（Polymethyl methacrylate, PMMA）试件进行三点弯落锤冲击试验，借助高速相机记录了试件的断裂过程和裂纹尖端的动态焦散斑形状变化过程，得到了其Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子的变化特征，并分析了其裂纹尖端位移及速度曲线。结合离散格子弹簧模型（DLSM），对比分析了试件的断裂形态，得到了裂纹尖端的应力场和运动场的变化规律，研究了应力波在层理处的透射和反射特征，最后利用DLSM分析了层理参数对介质断裂特性的影响。结果表明，试件的断裂特征，裂纹的起裂时间等都随层理角度的变化而不同，裂纹在不同角度层理内扩展速度不同；试件的断裂表现出拉剪复合特征；裂纹在抵达层理前速度在某一数值上下波动；层理的弹性模量和厚度都会对试件的动态断裂特性产生影响。