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

【摘要】：巖石的爆破理論包括兩部分:一是爆炸應力波的動態(tài)作用,二是爆生氣體的準靜態(tài)作用。目前我們認為巖石的爆炸破巖是兩者共同作用的結果,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理時必須同時考慮到兩者對巖石破碎的不同貢獻,提高精細化控制爆破效果,深化爆破理論。基于上述考慮,本文單獨分別對爆炸應力波的動作用和爆生氣體的準靜態(tài)作用進行試驗研究,同時結合DLSM數(shù)值模擬,對動態(tài)裂紋的擴展過程進行分析。課題的研究成果將為定向斷裂控制爆破提供理論基礎。本文的研究內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果,但加載面對測試結果有著重要的影響,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系。天然的層理結構分布并不均勻,其賦存狀態(tài)及其礦物構成不一,這些都會對測試結果帶來影響。2.利用數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗方法(DLDC),進行了不同裝藥結構切縫藥包爆破試驗,揭示切縫藥包不耦合裝藥爆破爆生氣體準靜態(tài)作用機理,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系進行了探討。不耦合系數(shù)對爆生裂紋擴展有顯著的影響。不耦合系數(shù)α1為1.67時,主裂紋擴展長度和裂紋數(shù)目最佳。爆炸應力波與爆生氣體對裂紋的擴展產生了影響。不耦合裝藥使得應力波的幅值降低,爆生氣體的準靜態(tài)作用加強。在以橡皮泥為介質的試驗中,應力強度因子和速度的變化幅度較小。橡皮泥介質作為炸藥爆炸產物與炮孔壁間的緩沖層,使得能量傳遞增加,應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烈的拉應力而快速擴展,從而抑制非切縫方向裂紋的擴展。數(shù)值模擬的結果表明,空氣不耦合裝藥時,在固體介質中產生的高強壓應力超過其抗壓強度時,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,使爆炸產生的能量更多的用于切縫方向裂紋的擴展,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變波進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,應變峰值和最大應變率逐漸遞減,且相同比例距離處堵塞炮孔爆破的應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變峰值和壓應變峰值與敞開炮孔時的相應數(shù)值近似呈2倍關系。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力波的傳播,導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)擴展,并向異方的已有的裂紋方向移近。動態(tài)應力強度因子ki從初始值迅速減小,然后ki的數(shù)值經過反復振蕩后,又逐漸增大,并達到第二個峰值,之后開始減小。裂紋擴展的過程中kii基本都小于ki。貫穿裂紋ai、bi尖端的動態(tài)應力強度因子大于外側裂紋ao、bo。裂紋擴展速度v和加速度a均呈現(xiàn)波浪起伏式的漲落變化,應力波以及由界面反射回的拉伸波在裂紋尖端散射、繞射,對裂紋擴展產生了影響。速度和加速度的峰值交替出現(xiàn),加速度首先達到峰值,然后速度再達到峰值。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到峰值,又逐漸減小。切槽及裝藥結構會對雙孔間裂紋貫穿產生影響,主要表現(xiàn)在,與切槽炮孔相比,自未切槽的炮孔處產生的裂紋長度較短,擴展速度較低,裂尖的應力強度較小。含缺陷介質的試件被爆后,爆生主裂紋止于預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,加載速率不同而產生不同類型的壓碎區(qū)域和徑向拉伸裂隙區(qū),當爆炸應力波峰值超過介質動態(tài)抗壓強度,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)荷載下缺陷介質裂紋擴展機理,在焦散線試驗中,主裂紋尖端的的動態(tài)應力強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。隨著預制裂紋傾斜角度的不斷增大,主裂紋的運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動軌跡變得越來越平直,此次裂紋尖端的動態(tài)應力強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模擬結果試驗結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,隨后逐漸擴展至預制缺陷處,然后從預制缺陷的一端起裂,將整個試件貫穿分成兩半。預制缺陷的傾斜角度變化對初始主裂紋的擴展影響不大。對于次裂紋的擴展速率,有隨預制缺陷傾斜角度增大而減小的變化特征,但水平預制缺陷時次裂紋的擴展速率遠高于傾斜缺陷。預制缺陷的存在,改變了應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,且擴展速率較大。非均勻性的模擬中主、次裂紋的擴展速度呈“高-低-高”振蕩性變化,且雜質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 .

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

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本文編號：1697337