深地页岩储层聚能射流侵彻及损伤致裂机理研究

为研究地应力对聚能射流侵彻页岩储层的影响,建立了聚能射流侵彻不同围压页岩的准二维模型,采用动态松弛法加载页岩围压分别为0、10、20、30 MPa,分别从射孔深度、页岩孔裂隙形成规律特征和监测点应力变化等方面系统性分析了射流侵彻下的页岩损伤致裂机理。研究结果表明:聚能射流侵彻页岩后损伤区域可以分为完全破坏区、压剪破坏区、拉伸破坏区,围压增加造成破坏区域减小。围压对于页岩射孔深度和损伤致裂效果具有明显影响,无围压下页岩的侵彻深度为600.3 mm,10、20、30 MPa围压下页岩的侵彻深度分别减小至524.3、454.3、446.1 mm,减小幅度分别为12.66%、24.32%、25.69%,更高的围压对页岩孔周裂隙的发育和损伤具有更明显的抑制作用。页岩射孔过程中的峰值压力随着与孔道中心距离增大而快速减小,且衰减速度逐渐由快减慢;随着与侵彻起点距离增大而逐渐减小,减小趋势近似为线性;相同监测点峰值压力随围压增大呈现明显的增加趋势。

2kg TNT当量圆柱形爆炸容器结构设计与安全校核

为满足科学试验的使用需求,设计一台2 kg TNT当量的圆柱形爆炸容器,并对其进行理论抗爆强度计算、数值模拟验证和动态试验监测。研究结果表明:2 kg TNT当量圆柱形爆破容器的结构设计合理,抗爆强度满足试验要求,最大允许工作压力具有较大裕度;数值模拟中爆炸容器单元峰值压应力分别位于圆柱壳体和椭圆封头中心位置,均远小于屈服强度;减振沟以外监测点的峰值振动在安全允许振速范围内;噪声强度满足设计规范要求。爆炸容器结构设计合理,可为类似爆炸容器的设计和验证提供参考。

120 m高钢筋混凝土烟囱拆除爆破与数值模拟研究

为成功爆破拆除一座120 m高钢筋混凝土烟囱,根据实际工程环境、工程结构特点完成爆破方案的设计,并运用有限元软件LS-DYNA进行了的爆破设计的合理性验证。结果表明:数值模拟倒塌过程与实际倒塌过程高度一致,烟囱的倒塌过程持续10.5 s左右,在倒塌过程中烟囱筒体主要经历切口闭合、下坐、触地倒塌3个阶段,不同阶段运动规律特征明显。爆破方案整体合理,钢筋混凝土烟囱被成功拆除爆破,达到预期效果,对于相似工程实践具有指导意义。

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明:围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9~4.2倍,失效应变增大2.59~3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏(0°)-剪切破坏(30°、45°和60°)-劈裂破坏(90°)的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。

超高钢筋混凝土烟囱爆破切口角度选取的研究

爆破拆除典型钢筋混凝土烟囱过程中,切口角度的合理选择是爆破拆除成功的重要因素。为确定切口角度的选取范围,根据余留截面的受力和破坏特征,采取隔离法,建立应力求解和应力及弯矩条件的理论模型:推导出余留截面上任意角度位置的应力求解公式,并定义了一个修订系数k来表达非切口截面上部的筒体,对余留截面不同角度位置产生的压应力影响效果的差异;建立筒体倾倒的应力及弯矩条件,结合应力求解公式与倾倒条件得出切口角度的选取范围。结合实际工程案例进行分析,研究结果表明:随着切口角度的增大,最大拉应力、最大压应力以及切口上部筒体产生的弯矩均呈现增大的趋势,而余留截面的抵抗力矩则呈现减小的趋势;最大拉应力达到材料强度极限时可得到切口角度的选取上限,两种弯矩相等时即可确定切口角度的选取下限;切口角度的改变对应力变化的影响要大于切口高度。工程案例中实际切口高度选择为4.5 m的条件下,依据所建立的理论模型得到切口角度的选取范围为[198°,237.6°],而实际切口角度为216°,处于理论选取范围之内,进一步验证了理论模型的可靠性,以期待更广泛地应用并指导工程实践。

甲烷燃爆载荷下页岩裂缝网络发育特征与定量分析

甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩储层原位解析的甲烷气体与人工注入的助燃剂混合燃爆,从而压裂页岩储层形成可供甲烷气体运移的有效裂缝网络的变革性技术。利用自主研发的燃爆系统,获得甲烷-氧气燃爆压力曲线特征,结合理论模型和数值模拟方法研究了甲烷-氧气燃爆压力载荷作用下深部页岩射孔孔道周围有效裂缝网络的发育特征,并对其进行了定量分析。研究结果表明:初始应力条件对岩体应力分布状态具有明显的影响,更大的初始应力偏差导致更高的应力集中;甲烷-氧气燃爆压力的平均升压时间为85μs;初始地应力对裂纹网络的发育具有明显的抑制作用,各向同性初始应力条件下,裂纹发育均匀呈圆形辐射状,而各向异性时,裂缝更倾向于更高初始应力方向生长,且倾向程度弱于爆炸压裂;燃爆压裂能够有效减小燃爆破碎区域面积,更有利于形成更多、更长径向裂缝;燃爆峰值压力增高对于径向裂缝末端的环向裂缝生长具有促进作用,更有利于沟通储层内天然裂缝构造复杂裂缝网络;甲烷-氧气燃爆载荷下,页岩破裂(有效裂缝)和破碎损伤阈值Ds分别选取为0.15、0.70,裂缝发育率Ps与损伤阈值Ds间数学表达近似为幂函数;E-10、E-40、E-80工况条件下的有效裂缝发育率分别为18.92%、14.11%、8.85%,燃爆峰值压力的增高能够明显促进有效裂缝发育率的增加,促进形成高度复杂裂缝网络。

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理,建立了射孔弹-空气-页岩三维模型,设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°,壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm,材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明:在射孔弹结构中,随着药型罩锥角的减小,射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内,适当减小药型罩的壁厚,可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响,其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小,钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大,铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现,页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段,减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度,可以促进页岩孔裂隙发育程度。

复杂环境下齐次定向爆破拆除四座烟囱的实践

为成功爆破拆除复杂环境下位于同一厂区的两座砖烟囱和两座钢筋混凝土烟囱,通过分析周边环境条件以及烟囱结构特点,确定“单切口,定向倒塌”的总体爆破方案对四座烟囱进行齐次拆除。根据工程经验确定烟囱切口底边位置为标高+0.5 m处,切口角度为215°,切口高度、切口长度以及相关爆破参数通过理论公式计算得到具体数值,切口形式采用类梯形切口,起爆网路采用精准度更高的数码电子雷管起爆系统以顺发齐爆的方式进行起爆。考虑四座烟囱不同的结构组成分别制定对应的预处理方案,并通过对烟囱的倒塌可靠性、爆破振动、倒塌振动进行安全校核以及对爆后飞溅碎片和爆破飞石的有效控制,从而确保四座烟囱按设计方向倒塌,防止对周围保护目标造成危害。通过使用有限元软件LS-DYNA对四座烟囱的倒塌过程进行模拟,结果表明模拟倒塌过程与实际过程几乎一致,倒塌完成时间均在14 s左右,并且通过分析顶部节点的位移与速度规律可以判断烟囱倒塌效果充分,达到预期目标,进一步表明了数值模拟对工程实践的指导意义,可为类似工程提供参考。

180 m同轴超高复杂结构烟囱拆除爆破

为了爆破拆除由183 m高钢结构内筒和外部180 m高钢筋混凝土烟囱组成复杂结构钢内筒混凝土烟囱,通过综合考量该烟囱的复杂结构特点、工程周边环境、施工安全等关键因素,最终确定采用外部结构定向控制爆破、钢内筒结构聚能切割的相结合方法,异步整体一次爆破拆除技术方案。首先对该烟囱两部分筒体进行切口预处理,根据其结构特征,外部钢筋混凝土烟囱类梯形切口加定向窗设计、内部钢筒采用梯形切口并且预留对称支撑结构,并且将烟囱内筒已有的检修平台使用槽钢与钢内筒焊接在一起,烟道口处的钢内筒与混凝土外壁的导流板进行加固,确保拆除爆破时形成协同定向导向作用。考虑到钢内筒的钢筒壁薄、强度高、韧性大等特点,优化爆破拆除时差确定选择精度高的数码电子雷管进行分部分段起爆,确保其倒塌时序实现完美同步定向拆除爆破。最后通过设计防护网、减振沟、减振堤等减小倒塌烟囱触地振动及飞石。结果表明:总体爆破设计方案合理,爆破效果达到预期目标,该工程爆破技术应用及创新设计可为类似工程提供重要参考。

复杂环境下180m高烟囱定向拆除爆破

为成功拆除复杂环境下180 m高钢筋凝土烟囱,根据烟囱周边环境及其工程结构,对工程重点、难点进行仔细分析,结合数值模拟结果最终确定定向倒塌爆破方案。通过分析烟囱筒体结构及其具体尺寸设计爆破切口参数,同时采用孔内延时、孔外接力的复式闭合双回路起爆技术,并且通过铺设缓冲层减缓筒体直接冲击地面的速度,减小倒塌烟囱触地振动效应。结果表明:总体爆破方案的爆破具体参数选取合理,拆除爆破达到预期效果,爆破振动未对周边保护目标造成影响;运用数值模拟计算得出烟囱顶端节点位移及速度规律,烟囱按设计方向顺利完成倒塌,与模拟倒塌结果基本一致。本次采用数值模拟对拆除爆破方案进行指导设计,可为类似工程提供参考。

货车侧翻原理及其防侧翻动力学分析的研究

本文基于两例货车侧翻重大案例,通过合理简化,构建出东风重型载货车转弯的动力学模型,然后通过刚体力学理论与MATLAB分析货车侧翻的主要原因。为了解决货车易侧翻问题,设计了一种安全气阀和陀螺仪防货车侧翻装置。主要结论包括:1) 通过刚体力学可以简化分析货车由于转弯、车厢倾斜的侧翻问题,其结论与实际相符。2) 离心力与转角近似成线性关系;车速越快,转角越大,车厢偏转角度越大,车辆越容易侧翻。3) 安全气阀和陀螺仪均可提供有效力矩防止侧翻,其对大货车防侧翻结构设计,优化设计和安全控制都具有非常重要的指导意义。