本文選題：爆生氣體　切入點：爆炸應(yīng)力波　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：巖石的爆破理論包括兩部分:一是爆炸應(yīng)力波的動態(tài)作用,二是爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用。目前我們認(rèn)為巖石的爆炸破巖是兩者共同作用的結(jié)果,只是在不同的爆破參數(shù)和裝藥條件下兩者各自的作用程度不同而已。因此,在研究巖石爆破破巖機(jī)理時必須同時考慮到兩者對巖石破碎的不同貢獻(xiàn),提高精細(xì)化控制爆破效果,深化爆破理論。基于上述考慮,本文單獨分別對爆炸應(yīng)力波的動作用和爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用進(jìn)行試驗研究,同時結(jié)合DLSM數(shù)值模擬,對動態(tài)裂紋的擴(kuò)展過程進(jìn)行分析。課題的研究成果將為定向斷裂控制爆破提供理論基礎(chǔ)。本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:1.基于NSCB測試方法,利用霍普金森桿試驗系統(tǒng),同時結(jié)合高速攝影、DLSM數(shù)值分析、SEM電鏡掃描、P波波速測量等技術(shù)手段,研究了砂巖等幾種典型巖石類材料的在常規(guī)及特殊狀態(tài)下的動態(tài)斷裂韌度,發(fā)現(xiàn):巖石類材料的動態(tài)斷裂韌度表現(xiàn)出明顯的加載率依賴性,隨著加載率的增大,巖石的動態(tài)斷裂韌度呈逐漸增大的趨勢。試驗中發(fā)現(xiàn),相同加載率的條件下,花崗巖的斷裂韌度最高,煤的斷裂韌度最低,砂巖和泥巖較為接近,有機(jī)玻璃的斷裂韌度低于3種巖石但高于煤。DLSM數(shù)值分析也得到與試驗類似的結(jié)果,但加載面對測試結(jié)果有著重要的影響,理想的線性加載并不適用于巖石類材料動態(tài)斷裂韌度測試研究,自由面加載和5mm面加載時的數(shù)值計算結(jié)果能夠與試驗較好的吻合。同時,底端支座的約束條件也會對測試產(chǎn)生影響。高溫處理后砂巖的斷裂韌度測試中發(fā)現(xiàn),在同一個熱處理溫度時,斷裂韌度隨加載率的變化成線性增加的趨勢。特別的,加載率較低時,各個熱處理溫度時的斷裂韌度值較為接近,但加載率較高時,斷裂韌度值則有較大差別,斷裂韌度-加載率曲線的斜率隨熱處理溫度的升高而減小。含層理煤的動態(tài)斷裂韌度測試發(fā)現(xiàn),隨著節(jié)理傾角的增大,“動態(tài)斷裂韌度”有減小的趨勢,但并不是呈線性遞減的關(guān)系。天然的層理結(jié)構(gòu)分布并不均勻,其賦存狀態(tài)及其礦物構(gòu)成不一,這些都會對測試結(jié)果帶來影響。2.利用數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗方法(DLDC),進(jìn)行了不同裝藥結(jié)構(gòu)切縫藥包爆破試驗,揭示切縫藥包不耦合裝藥爆破爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用機(jī)理,同時利用顯式動力分析程序LS-DYNA模擬切縫藥包爆炸以及初始裂紋形成的早期過程,并對不耦合系數(shù)與爆破損傷之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。不耦合系數(shù)對爆生裂紋擴(kuò)展有顯著的影響。不耦合系數(shù)α1為1.67時,主裂紋擴(kuò)展長度和裂紋數(shù)目最佳。爆炸應(yīng)力波與爆生氣體對裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生了影響。不耦合裝藥使得應(yīng)力波的幅值降低,爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用加強(qiáng)。在以橡皮泥為介質(zhì)的試驗中,應(yīng)力強(qiáng)度因子和速度的變化幅度較小。橡皮泥介質(zhì)作為炸藥爆炸產(chǎn)物與炮孔壁間的緩沖層,使得能量傳遞增加,應(yīng)力波的作用時間延長,爆炸的作用范圍加大。次裂紋尖端的動態(tài)能量釋放率數(shù)值整體上小于兩條主裂紋。能量沿切縫藥包壁的切縫方向優(yōu)先釋放,促使炮孔切縫方向的徑向裂紋受到強(qiáng)烈的拉應(yīng)力而快速擴(kuò)展,從而抑制非切縫方向裂紋的擴(kuò)展。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,空氣不耦合裝藥時,在固體介質(zhì)中產(chǎn)生的高強(qiáng)壓應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度時,就會在炮孔壁上形成粉碎區(qū),其面積雖小,但耗能很大。為了避免粉碎區(qū)的形成,使爆炸產(chǎn)生的能量更多的用于切縫方向裂紋的擴(kuò)展,從改善定向斷裂爆破效果的角度出發(fā),得出空氣不耦合裝藥系數(shù)約為1.67,這與試驗得到的結(jié)果是一致的。3.提出了一種簡易的“動、靜作用分離裝置”,對堵塞炮孔和敞開炮孔爆破水泥砂漿試驗所獲應(yīng)變波進(jìn)行了波形特征分析和基于能量的時頻分析,發(fā)現(xiàn):切縫藥包動作用破巖過程中,與炮孔等距的測點處,切縫方向的應(yīng)變峰值最大,非切縫方向次之,135°方向再次之,45°方向最小,最大應(yīng)變率的變化趨勢亦是如此,且爆炸近區(qū)的測點處有明顯的殘余應(yīng)變。切縫藥包爆破動、靜作用對比發(fā)現(xiàn),切縫方向上隨著比例距離的增大,應(yīng)變峰值和最大應(yīng)變率逐漸遞減,且相同比例距離處堵塞炮孔爆破的應(yīng)變峰值要高于敞開炮孔。普通裝藥爆破,堵塞炮孔試驗時測得的拉應(yīng)變峰值和壓應(yīng)變峰值與敞開炮孔時的相應(yīng)數(shù)值近似呈2倍關(guān)系。切縫藥包動作用破巖試驗中,與爆源的距離相同的測點處,出現(xiàn)了相似的低頻頻段,集中在292.8-448hz。各個測點與切縫所成角度不同,在一定程度上影響了應(yīng)力波的傳播,導(dǎo)致高頻頻段的分布不均。切縫藥包動、靜作用對比試驗中,隨著比例距離的增大,頻帶逐漸集中,堵塞炮孔時測點的振動頻率明顯高于敞開炮孔。在普通裝藥爆破動、靜作用對比試驗中,測點的頻帶分布特征相似,沒有突兀的低頻頻段和高頻頻段,說明普通裝藥爆破對頻帶分布影響不大。4.利用焦散線試驗和dlsm數(shù)值分析,研究動、靜聯(lián)合作用雙孔爆破孔間裂紋貫穿機(jī)理。發(fā)現(xiàn):雙孔同時爆破時,孔間貫穿裂紋尖端并未直接相遇,而是一上一下,相遇后繼續(xù)擴(kuò)展,并向異方的已有的裂紋方向移近。動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子ki從初始值迅速減小,然后ki的數(shù)值經(jīng)過反復(fù)振蕩后,又逐漸增大,并達(dá)到第二個峰值,之后開始減小。裂紋擴(kuò)展的過程中kii基本都小于ki。貫穿裂紋ai、bi尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于外側(cè)裂紋ao、bo。裂紋擴(kuò)展速度v和加速度a均呈現(xiàn)波浪起伏式的漲落變化,應(yīng)力波以及由界面反射回的拉伸波在裂紋尖端散射、繞射,對裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生了影響。速度和加速度的峰值交替出現(xiàn),加速度首先達(dá)到峰值,然后速度再達(dá)到峰值。動態(tài)能量釋放率由最大值迅速減小,振蕩變化后第二次達(dá)到峰值,又逐漸減小。切槽及裝藥結(jié)構(gòu)會對雙孔間裂紋貫穿產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)在,與切槽炮孔相比,自未切槽的炮孔處產(chǎn)生的裂紋長度較短,擴(kuò)展速度較低,裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度較小。含缺陷介質(zhì)的試件被爆后,爆生主裂紋止于預(yù)制裂紋斷面處而沒有相互交匯貫通,表明缺陷對定向斷裂控制爆破效果有著重要的影響。DLSM數(shù)值分析表明,加載速率不同而產(chǎn)生不同類型的壓碎區(qū)域和徑向拉伸裂隙區(qū),當(dāng)爆炸應(yīng)力波峰值超過介質(zhì)動態(tài)抗壓強(qiáng)度,緊鄰爆破孔周圍出現(xiàn)壓碎區(qū)域。在壓碎區(qū)域由于較高的能量耗散率,顆粒出現(xiàn)破壞。在壓碎區(qū)域形成后會有徑向裂隙的形成。不同炮孔間距的同段爆破形成的破壞區(qū)域不同。5.動態(tài)荷載下缺陷介質(zhì)裂紋擴(kuò)展機(jī)理,在焦散線試驗中,主裂紋尖端的的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子振蕩增大至峰值又減小,然后增大至最大值時主裂紋起裂。次裂紋起裂前,KI振蕩變化,起裂后迅速增大后振蕩減小。隨著預(yù)制裂紋傾斜角度的不斷增大,主裂紋的運(yùn)動軌跡越來越偏離豎直方向而變得彎曲,而貫穿整個試件的次裂紋的運(yùn)動軌跡變得越來越平直,此次裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度峰值隨傾斜角度的增加而增大。主裂紋起裂后,速度迅速減小。次裂紋擴(kuò)展速度先增大后震蕩減小,與KI的變化趨勢保持一致。DLSM模擬結(jié)果試驗結(jié)果具有較好的吻合性,試件中的裂紋首先開始于底部缺口的前端,隨后逐漸擴(kuò)展至預(yù)制缺陷處,然后從預(yù)制缺陷的一端起裂,將整個試件貫穿分成兩半。預(yù)制缺陷的傾斜角度變化對初始主裂紋的擴(kuò)展影響不大。對于次裂紋的擴(kuò)展速率,有隨預(yù)制缺陷傾斜角度增大而減小的變化特征,但水平預(yù)制缺陷時次裂紋的擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于傾斜缺陷。預(yù)制缺陷的存在,改變了應(yīng)力波在試件中的傳播路徑。沖擊荷載下支座約束對裂紋的擴(kuò)展速率影響并不大,只是在“兩個支座完全X方向光滑,Y方向約束”時次裂紋起裂時間相對較早,且擴(kuò)展速率較大。非均勻性的模擬中主、次裂紋的擴(kuò)展速度呈“高-低-高”振蕩性變化,且雜質(zhì)的密度越大這種振蕩性越明顯。
[Abstract]:In this paper , the dynamic fracture toughness of some typical rock materials such as sandstone is studied in this paper . It is found that the fracture toughness of the rock is the highest when the loading rate increases , and the fracture toughness of the rock is lower than that of the coal . The results of numerical simulation show that the dynamic energy release rate of the crack tip is less than that of two main cracks . The results show that the peak value of strain peak and the maximum strain rate are similar to those of open gun holes . The results of DLSM numerical analysis indicate that the propagation path of the crack tip is less than that of the crack .

【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU45

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本文編號：1697337