露天矿深孔台阶爆破逐孔起爆参数的优化研究与应用

露天矿深孔台阶爆破常存在炸药单耗和大块及根底率偏高增加综合成本、爆堆松散度过小不利于铲装、爆破振动过大影响边坡稳定等问题。以多宝山露天矿深孔台阶控制爆破为工程依托,从理论上建立了逐孔起爆爆破引起的应力场解析式,确定了逐孔起爆的孔排距、最小底抗线和孔间延期时间;采用LS-DYNA软件对此爆破参数建立的模型爆破应力大小和破碎范围进行了分析,并在多宝山露天矿进行了6组不同爆破参数条件下的现场工业试验,确定了不同炸药单耗等爆破参数与块度、松散度的变化规律,验证并确定了优化的多宝山露天矿深孔台阶控制爆破参数。主要研究成果为:(1)在多宝山露天矿爆破的耦合装药条件下,通过逐孔起爆应力场的理论推导和分析,应力场分布和应力大小的影响仅限于前后两孔之间,孔间延期时间17 ms是比较合理的。(2)爆破现场爆堆和块度大小数据的收集可以通过无人机倾斜摄影技术和手机拍照进行,由此收集的数据分析获得的松散度和块度是有效合理的。(3)多宝山露天矿深孔台阶爆破,当炮孔直径为178 mm和孔间延期时间17 ms时,满足爆堆块度小于60 cm、松散度大于1.45铲装条件下的炸药单耗为0.60 kg/m^(3)、孔排距为7 m×5 m。

基于Starfield迭加法的条形药包爆炸应力场分析

在分析条形药包的现有理论研究方法与实验成果的基础上,认为爆轰波沿装药方向传播的时间效应是影响条形药包爆炸应力场特征的主要因素。综合Starfield迭加法与动力有限元法,提出了基于Starfield迭加原理的条形药包爆炸应力场数值分析模型,全面分析了不同起爆方式下条形药包爆炸应力场发展及形成规律,结论对实际工程具有一定指导意义。

静态爆破剂水化速率对矿体力学及损伤作用机制研究

为了研究静态爆破剂水化速率对矿体力学及损伤作用机制,利用应力-损伤耦合模型进行了不同水化速率下矿体力学损伤数值模拟,分析了水化速率对矿体应力场及损伤区演化规律影响,揭示了钻孔布置模型对水化速率作用的机制。研究结果表明:静态爆破损伤区发育可以分为压实阶段、微损伤形成阶段、损伤区发育阶段、损伤区贯通阶段等4个阶段,其中损伤区发育、贯通阶段应力作用最为显著;矿体应力场及损伤区随着水化速率的增大而增加,并且在快速释能初期水化速率对应力场及损伤区影响差异性较小,快速释能后期水化速率对应力场及损伤区影响差异性显著;钻孔布置模型影响水化速率作用机制,其中单孔力学模型下水化速率促进膨胀压差异性,双孔力学模型下水化速率促进应力叠加,导向孔布置模型最为显著,初期水化速率加快应力运移,后期水化速率促进应力叠加,在时间维度和应力维度的共同作用下造成损伤区扩展、贯通;本次数值模拟和现场测试方案中,静态爆破剂水化速率1.8 MPa/min,钻孔直径113 mm,钻孔间距1000 mm,合理的孔间距与钻孔直径比η=9,导向孔布置模型可有效地致裂矿体、产生大量损伤区。该研究为提高静态爆破技术的致裂效果及施工布置提供了参考依据。

基于深孔延期爆破应力场的边孔距的研究

为解决地下矿房大直径深孔延期爆破导致矿房两侧充填体的破坏问题,需对延期爆破产生的应力场进行研究,以确定合理的边孔距与孔间延期时间。根据应力波传播和衰减规律,确定了产生复杂应力场的前后起爆孔距、延期时间和边孔距。基于矿山实际情况,根据波动学理论分析了两孔延期爆破产生的应力波在被爆岩体和充填体内的叠加,取得了两孔延期爆破的应力场函数解析式,结合Mises准则,确定了在相同孔间距、延期时间的情况下,不同边孔距离的情况下被爆岩体的崩落范围以及充填体的破坏范围。通过LS-DYNA数值模拟软件建立了6个数值模型,模拟不同方案下炸药起爆后,在被爆岩体和充填体内选取应力临界点进行分析,模拟结果表明:边孔距大于裂隙区范围时,不同边孔距对被爆岩体的崩落范围几乎无影响;适当的增大边孔距可以能够有效降低应力波对充填体造成的破坏。最后,对4组爆破参数进行了现场工业试验,得到了优化后的爆破参数为:同侧两孔间距2.0 m,前后起爆孔延期9 ms,边孔距1.8 m。

基于深孔微差爆破应力场的爆破参数优化

为克服矿房大直径深孔微差爆破存在的不足,根据波动学理论,依据柱状药包单孔爆破应力传播衰减规律,圈定了微差爆破前后起爆孔距和延期时间范围,进一步推导出两孔微差爆破的叠加应力场函数解析式。在此基础上,依据Mises准则反推得出孔网参数与延期时间计算公式。通过LS-DYNA模拟计算和现场工业试验,对比应力场分布情况和实际爆破效果,验证了理论分析的合理性。

高炉炉缸铁水流场影响因素的数值模拟研究

对高炉炉缸铁水流场影响因素开展数值模拟研究。结果表明:铁水剪切应力较高区域主要集中在炉缸出铁口下方;提高高炉利用系数会增大炉缸壁面上的剪切应力;在高炉正常生产情况下,死料柱孔隙率和铁口直径变化对炉缸侧壁铁水剪切应力影响较小;增加铁口深度和减小铁口倾角可以有效降低铁水对炉缸侧壁的剪切应力。实际生产中,保持良好原燃料条件,适度增加铁口深度,采取小铁口倾角出铁有利于减缓铁水对炉缸内衬的冲刷,从而实现炉缸长寿的目标。

基于红外数字全息的建筑爆破环境应力场检测研究

红外数字全息具有实时性强、可在复杂环境检测等优点;爆破环境的粉尘类气溶胶对可见光有较强的吸收、散射效应,红外波段处于“大气窗口”波长的红外光受气溶胶影响较小,该优势与数字全息相结合,本文提出一种可在高浓度粉尘环境下测量应力场的研究方法。将大小适中的光滑水泥板固定于三维施力架上作为研究对象,采用红外数字全息方法,改变环境粉尘浓度,分别测量光滑水泥板在不同压力作用下的应力场变化,对比全息图、相位差,验证了该方法的可行性,并设置可见光数字全息为对照实验。结果表明,红外数字全息可在高浓度粉尘环境下测量出应力场的施力点、压力相对大小及应力影响区域,实现实时、无损、全场检测,而可见光数字全息在此环境下检测效果不佳甚至无法完成检测,本文所提方法极大拓展了基于数字全息干涉计量应力检测手段的实用性。

310 mm孔径微差爆破降振研究

为有效降低310 mm孔径爆破对边坡的振动损伤,开展微差爆破降振研究。运用数值软件构建逐孔起爆模型,开展不同延期工况的爆破模拟,对应力波传播、应力峰值和应力时间作用强度等特征进行分析。研究结果表明,对于台阶底部,同时增大或减小孔排间延期,应力时间作用增强;对于台阶中部和上部,减小孔间延期,应力时间作用减弱,而增大孔间延期且减小排间延期,应力时间作用增强;对于台阶后方,增大排间延期或减小孔间延期,应力时间作用减弱。基于数值模拟分析,现场试验时将最后一排的排间延期增大20 ms。通过最小二乘法对试验前后爆破测振数据回归分析,对比可知,延期优化后距爆区后方10 m处的振动峰值下降39%,后方20 m处的振动峰值下降22%,反映出了显著的减振效果。

不同地应力条件下直眼掏槽破岩的理论研究与数值模拟

为了研究不同地应力场对直眼掏槽破岩的影响,提出了基于Schwarz交替迭代法和弹性力学理论建立的掏槽区岩体的应力状态方程,同时对不同地应力条件下单孔直眼掏槽破岩过程进行了数值模拟。结果表明:在炸药爆炸前期和中期,初始地应力场对结果影响较小,主要是槽孔爆炸应力场起主导作用,在爆炸后期,初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用,裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向。进一步分析表明,岩体在初始地应力场与爆炸应力场共同作用后,在空孔和槽孔圆心连线上产生最大拉应力,并且在不同地应力条件下最大拉应力模拟值的发展趋势与理论计算较为一致。

不耦合装药爆炸应力场的动光弹研究

用动光弹方法定量研究了多个不耦合系数下爆炸应力场衰减规律。模型材料为环氧树脂平板。研究表明:当不耦合系数在1～1.75之间取值时,比例距离在15～60范围内,|(?)/(?)|max的值介于3.21～5.00之间,|(?)/(?)|max的值介于小4.61～9.50之间。

延长药包不同位置起爆时的应力场

利用红宝石脉冲激光器建立了三维动态散光光弹性爆破模型实验系统，首次对条形药包在一端起爆、两端同时起爆、药柱中点起爆等条件下的爆破模型进行了研究，得到了在同一剖面的４个时刻的动态应力条纹图；对３种爆破模型的动应力场进行了对比分析，并就其爆破效果提出了相应的结论．

岩巷定向断裂爆破新工艺

采用光电量测技术，在实验室模型试验研究基础上，测定和分析了定向断裂爆破炮孔周围应力场特征，对光面爆破炮孔应力场作了分析对比，提出了相邻炮孔贯穿机理；优选了较为实用有效的定向断裂爆破方法，证实了应用于巷道生产的可行性。经大同矿务局马脊梁矿运输大巷４３个正规作业循环实践表明：在ｆ＝６～８的砂岩中掘进断面１２．３９ｍ￣２的巷道时，在现有气腿式凿岩机、耙斗式装岩机和矿车运输条件下，采用定向断裂爆破新工艺、三角复式掏槽、中深孔爆破，可以取得良好的爆破效果。周边眼痕率提高到９６％，不平整度小于１００ｍｍ，炮眼利用率达９８％，彻底解决了目前光面爆破难以达到质量指标这一问题。这一新工艺的实施，对改进光面爆破技术、提高岩巷施工速度提供了新途径。

压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。

爆炸作用下空孔周围应力场变化的模型实验

为了研究空孔在爆破中的作用机理,应用爆炸载荷动态焦散线测试系统,模拟爆破过程,进行了PMMA(有机玻璃)模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆破中空孔周围应力场变化过程.结果表明,空孔对应力波导向作用很明显;空孔附近主应力差瞬间达到最大值,随后呈振荡变化的下降趋势;空孔附近最大拉应力方向基本在垂直于炮孔与空孔连线的方向变化.

超深对深孔台阶爆破作用影响的数值模拟

本文通过三维有限元法建立三维深孔台阶爆破计算模型 ,分析深孔台阶爆破底部应力场的分布规律。分析表明 ,深孔台阶爆破有效应力场呈近似椭球状分布 ,炮孔端部具有明显的端部效应 ;随着超深长度的增加 ,底部应力场逐渐增强 ;超深长度存在临界值Δh0 ,当超深长度Δh≥Δh0 时 ,底部应力场强度基本不变。在本文的计算中临界超深值与抵抗线W的比值等于 0 3。

初始压应力场对爆生裂纹行为演化效应的实验研究

采用自主设计的动静组合加载系统,实现了在模型试件中产生静态应力场和爆炸动应力场,并对动静组合应力场中爆生裂纹的扩展行为演化特征进行焦散线实验研究,探讨初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。通过对四周施加均布载荷和不施加载荷的两组试件进行实验,对比分析两组试件中爆生裂纹的扩展长度、速度和裂纹尖端动态应力强度因子随时间的变化规律,发现在垂直于裂纹扩展方向的压应力降低了裂纹尖端的应力集中程度,阻碍了裂纹的扩展,而平行于裂纹扩展方向的压应力对裂纹的扩展基本没有影响。

深部岩石巷道爆破卸荷的破裂范围研究

采用弹性动力学方法,利用拉普拉斯变换和卷积定理求解岩石巷道爆破卸荷瞬态应力场,结合Hopkinson动态破裂理论,给出了深部岩石巷道爆破卸荷破裂情况和瞬态卸荷破裂范围,说明了动态卸载扰动更易诱发岩爆灾害。算例表明,该理论和方法能正确地反应深部巷道开挖引起的围岩体的动态过程,并能有效地评价开挖卸荷引起的围岩体的破坏形态。

不同掏槽形式成腔过程比较数值分析

掏槽爆破是决定巷道掘进速度的关键,提高掏槽爆破质量是实现巷道快速掘进的前提。数值计算的发展使掏槽爆破模拟成为可能,采用显式动力分析软件LS-DYNA,对深孔直眼掏槽和楔形掏槽爆破过程进行模拟。通过对比分析发现,楔形掏槽炸药爆炸后产生的强压缩波很快发生叠加,这种强烈的叠加作用促使波阵面的形状发生了变化,应力波阵面转变为近似平面。直眼掏槽时沿装药段能量分布相对均匀,楔形掏槽在炮孔底部两侧的能量分布差距明显,必然导致楔形掏槽形成的槽腔更加狭长。楔形掏槽对于硬岩爆破更为有效。

高压水射流螺旋式切槽辅助松动爆破模型

基于水射流独特的切割优势提出了高压水射流螺旋式切槽辅助松动爆破的新方法,实验研究了高压水射流切割煤岩体所形成缝槽的断口形貌并建立了其几何模型.在此基础上,基于断裂力学理论同时结合Westergaard方法,确定了复变函数,进而推导出爆生气体准静态作用下射流螺旋切槽孔的应力场公式,得到了射流螺旋切槽孔缝槽尖端应力强度因子计算公式,并分析了高压水射流切槽辅助松动爆破松动效应.最后,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对该模型进行了验证,结果符合较好.

爆炸作用下地下直墙拱结构动荷载分布规律试验研究

为研究集中装药爆炸条件下地下直墙拱结构被覆段的荷载分布规律,通过野外抗爆模型试验测试土中自由场应力以及拱结构表面各点荷载的应力时程曲线。采用数据拟合与归一化方法,得到拱结构横断面及纵断面的荷载峰值分布规律包络图,并将测试结果与理论方法、数值手段的研究结果进行对比验证。结果表明,地下拱结构承受的动荷载与理论方法、数值手段得到的基本规律一致,呈类三角形分布。根据荷载分布情况,结合荷载作用面积的等效原理,提出局部动载的简化计算公式,给出地下拱结构抗化爆的荷载计算步骤。