爆炸的动静作用破岩与动态裂纹扩展机理研究

爆炸的动静作用破岩与动态裂纹扩展机理研究岩石的爆破理论包括两部分:一是爆炸应力波的动态作用,二是爆生气体的准静态作用。目前我们认为岩石的爆炸破岩是两者共同作用的结果,只是在不同的爆破参数和装药条件下两者各自的作用程度不同而已。

因此,在研究岩石爆破破岩机理时必须同时考虑到两者对岩石破碎的不同贡献,提高精细化控制爆破效果,深化爆破理论。基于上述考虑,本文单独分别对爆炸应力波的动作用和爆生气体的准静态作用进行试验研究,同时结合DLSM数值模拟,对动态裂纹的扩展过程进行分析。

课题的研究成果将为定向断裂控制爆破提供理论基础。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1.基于NSCB测试方法,利用霍普金森杆试验系统,同时结合高速摄影、DLSM数值分析、SEM电镜扫描、P波波速测量等技术手段,研究了砂岩等几种典型岩石类材料的在常规及特殊状态下的动态断裂韧度,发现:岩石类材料的动态断裂韧度表现出明显的加载率依赖性,随着加载率的增大,岩石的动态断裂韧度呈逐渐增大的趋势。

试验中发现,相同加载率的条件下,花岗岩的断裂韧度最高,煤的断裂韧度最低,砂岩和泥岩较为接近,有机玻璃的断裂韧度低于3种岩石但高于煤。DLSM数值分析也得到与试验类似的结果,但加载面对测试结果有着重要的影响,理想的线性加载并不适用于岩石类材料动态断裂韧度测试研究,自由面加载和5mm面加载时的数值计算结果能够与试验较好的吻合。

同时,底端支座的约束条件也会对测试产生影响。高温处理后砂岩的断裂韧度测试中发现,在同一个热处理温度时,断裂韧度随加载率的变化成线性增加的趋势。

特别的,加载率较低时,各个热处理温度时的断裂韧度值较为接近,但加载率较高时,断裂韧度值则有较大差别,断裂韧度-加载率曲线的斜率随热处理温度的升高而减小。含层理煤的动态断裂韧度测试发现,随着节理倾角的增大,“动态断裂韧度”有减小的趋势,但并不是呈线性递减的关系。

天然的层理结构分布并不均匀,其赋存状态及其矿物构成不一,这些都会对测试结果带来影响。2.利用数字激光动态焦散线试验方法(DLDC),进行了不同装药结构切缝药包爆破试验,揭示切缝药包不耦合装药爆破爆生气体准静态作用机理,同时利用显式动力分析程序LS-DYNA模拟切缝药包爆炸以及初始裂纹形成的早期过程,并对不耦合系数与爆破损伤之间的关系进行了探讨。

不耦合系数对爆生裂纹扩展有显著的影响。不耦合系数α1为1.67时,主裂纹扩展长度和裂纹数目最佳。

爆炸应力波与爆生气体对裂纹的扩展产生了影响。不耦合装药使得应力波的幅值降低,爆生气体的准静态作用加强。

在以橡皮泥为介质的试验中,应力强度因子和速度的变化幅度较小。橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,使得能量传递增加,应力波的作用时间延长,爆炸的作用范围加大。

次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于两条主裂纹。能量沿切缝药包壁的切缝方向优先释放,促使炮孔切缝方向的径向裂纹受到强烈的拉应力而快速扩展,从而抑制非切缝方向裂纹的扩展。

数值模拟的结果表明,空气不耦合装药时,在固体介质中产生的高强压应力超过其抗压强度时,就会在炮孔壁上形成粉碎区,其面积虽小,但耗能很大。为了避免粉碎区的形成,使爆炸产生的能量更多的用于切缝方向裂纹的扩展,从改善

定向断裂爆破效果的角度出发,得出空气不耦合装药系数约为1.67,这与试验得到的结果是一致的。

3.提出了一种简易的“动、静作用分离装置”,对堵塞炮孔和敞开炮孔爆破水泥砂浆试验所获应变波进行了波形特征分析和基于能量的时频分析,发现:切缝药包动作用破岩过程中,与炮孔等距的测点处,切缝方向的应变峰值最大,非切缝方向次之,135°方向再次之,45°方向最小,最大应变率的变化趋势亦是如此,且爆炸近区的测点处有明显的残余应变。切缝药包爆破动、静作用对比发现,切缝方向上随着比例距离的增大,应变峰值和最大应变率逐渐递减,且相同比例距离处堵塞炮孔爆破的应变峰值要高于敞开炮孔。

普通装药爆破,堵塞炮孔试验时测得的拉应变峰值和压应变峰值与敞开炮孔时的相应数值近似呈2倍关系。切缝药包动作用破岩试验中,与爆源的距离相同的测点处,出现了相似的低频频段,集中在292.8-448hz。

各个测点与切缝所成角度不同,在一定程度上影响了应力波的传播,导致高频频段的分布不均。切缝药包动、静作用对比试验中,随着比例距离的增大,频带逐渐集中,堵塞炮孔时测点的振动频率明显高于敞开炮孔。

在普通装药爆破动、静作用对比试验中,测点的频带分布特征相似,没有突兀的低频频段和高频频段,说明普通装药爆破对频带分布影响不大。4.利用焦散线试验和dlsm数值分析,研究动、静联合作用双孔爆破孔间裂纹贯穿机理。

发现:双孔同时爆破时,孔间贯穿裂纹尖端并未直接相遇,而是一上一下,相遇后继续扩展,并向异方的已有的裂纹方向移近。动态应力强度因子ki从初始值迅速减小,然后ki的数值经过反复振荡后,又逐渐增大,并达到第二个峰值,之后开始减小。

裂纹扩展的过程中kii基本都小于ki。贯穿裂纹ai、bi尖端的动态应力强度因子大于外侧裂纹ao、bo。

裂纹扩展速度v和加速度a均呈现波浪起伏式的涨落变化,应力波以及由界面反射回的拉伸波在裂纹尖端散射、绕射,对裂纹扩展产生了影响。速度和加速度的峰值交替出现,加速度首先达到峰值,然后速度再达到峰值。

动态能量释放率由最大值迅速减小,振荡变化后第二次达到峰值,又逐渐减小。切槽及装药结构会对双孔间裂纹贯穿产生影响,主要表现在,与切槽炮孔相比,自未切槽的炮孔处产生的裂纹长度较短,扩展速度较低,裂尖的应力强度较小。

含缺陷介质的试件被爆后,爆生主裂纹止于预制裂纹断面处而没有相互交汇贯通,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响。DLSM数值分析表明,加载速率不同而产生不同类型的压碎区域和径向拉伸裂隙区,当爆炸应力波峰值超过介质动态抗压强度,紧邻爆破孔周围出现压碎区域。

在压碎区域由于较高的能量耗散率,颗粒出现破坏。在压碎区域形成后会有径向裂隙的形成。

不同炮孔间距的同段爆破形成的破坏区域不同。5.动态荷载下缺陷介质裂纹扩展机理,在焦散线试验中,主裂纹尖端的的动态应力强度因子振荡增大至峰值又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂。

次裂纹起裂前,KI振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小。随着预制裂纹倾斜角度的不断增大,主裂纹的运动轨迹越来越偏离竖直方向而变得弯曲,而贯穿整个试件的次裂纹的运动轨迹变得越来越平直,此次裂纹尖端的动态应力强度峰值随倾斜角度的增加而增大。

主裂纹起裂后,速度迅速减小。次裂纹扩展速度先增大后震荡减小,与KI的