水压爆破应力波传播及破煤岩机制研究

发布时间：2017-04-20 02:15

  本文关键词：水压爆破应力波传播及破煤岩机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,水压爆破技术在工程爆破领域有了一定的应用,如拆除控制爆破、井巷掘进爆破、隧道光面爆破、露天矿开采爆破等。水压爆破因其传能效率高、水楔作用效果明显,具有破岩能力强、炸药能量利用率高等优点。基于水压爆破以上特性,本文提出了一种煤层水压爆破的新方法,该方法能够在煤体中形成大范围裂隙,从而提高煤体透气性。本文主要研究煤体水压爆破应力波传播及破煤岩机制,为该方法的现场应用提供理论依据。本文采用理论分析、相似模拟实验、数值模拟计算相结合的方法研究了煤体水压爆破应力波传播及破煤岩机制。主要研究成果如下:①根据炸药爆轰波理论和水中冲击波理论,研究了水压爆破水中冲击波的形成和传播规律,推导了水中冲击波初始压力和孔壁入射压力的计算公式,借助弹性波理论,求解了煤体内初始应力。研究表明:炸药爆炸性能参数、装药结构参数、煤体物理力学性质参数是影响煤体水压爆破应力的主要因素。水中冲击波初始压力随炸药爆速和爆轰压力的增大而增大;孔壁入射压力和煤体中初始应力随炸药密度和爆热的增大而增大,随装药不耦合系数的增大而降低;相同装药条件下,煤体的波阻抗越大,所受初始应力越强。②根据应力波理论,研究了煤体中爆炸应力波传播与衰减规律,基于Mises强度准则建立了煤体粉碎区破坏判据,基于最大拉应力准则建立了煤体裂隙区破坏判据。煤体中有效应力超过煤体动态抗压强度时,煤体呈现塑性压缩破坏,在炮孔周围形成粉碎区。爆炸应力波产生的切向应力超过煤体动态抗拉强度时,煤体呈现脆性拉伸破裂,形成裂隙区。③开展了煤体爆破相似模拟实验研究,对比分析了水、空气两种炮孔不耦合介质对煤体爆破作用的影响,采用超动态应变测试系统和数据分析软件对模拟煤体中产生的爆炸应变进行了采集分析,并综合评价了裂纹形态、裂面质量等爆破效果。实验结果表明:水压爆破(即水介质不耦合装药爆破)时,煤体中爆炸应力波衰减指数为3-[0.8μo/(1-0.8μo)],首先在炮孔周围形成粉碎区,粉碎区半径约为炮孔半径的1.5倍,然后形成大范围裂隙区,裂隙区半径约为炮孔半径的13倍,最后形成爆破松动区;相同实验条件下,水压爆破产生的径向和切向峰值应力分别是空气介质不耦合装药爆破径向和切向峰值应力的2.15倍、2.4倍;水压爆破后模拟煤体内产生多条长宽贯通型裂纹,破坏断裂现象严重,空气介质不耦合装药爆破时,产生扩腔现象,在炮孔周壁和底部形成压实区,没有产生明显裂纹,对比证明了水压爆破煤体致裂效果明显。④运用显示非线性动力分析程序ANSYS/LS-DYNA采用ALE算法对水压爆破煤体过程进行了数值模拟计算,计算结果表明:煤体中爆炸应力波是以起爆点为中心呈椭圆形向四周传播的,应力波衰减速度先快后慢,在炮孔近处,以压应力为主,在炮孔远处,以拉应力为主;煤体裂纹扩展具有一定方向性,呈径向发散状分布,裂纹分岔没有方向性,呈随机性分布;水的动力阻抗与爆轰产物动力阻抗相近,冲击波在水中传播时,水本身消耗的变形能很小,水介质能量传播效率很高,传能作用明显。
【关键词】：水压爆破 水中冲击波 爆炸应力波 破坏判据 相似模拟实验
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD235
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 水压爆破研究现状10-12
• 1.2.2 煤体爆破研究现状12-13
• 1.3 研究内容及技术路线13-16
• 1.3.1 研究内容13-14
• 1.3.2 技术路线14-16
• 2 水压爆破应力波传播及破煤岩机制理论研究16-22
• 2.1 水中冲击波形成和传播规律16-18
• 2.2 煤体中应力波传播与衰减规律18-19
• 2.3 煤体破坏判据19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 3 水压爆破应力波传播及破煤岩机制实验研究22-39
• 3.1 实验条件22-25
• 3.1.1 测试原理22-23
• 3.1.2 测试系统23-25
• 3.2 实验方案25-27
• 3.3 实验过程27-32
• 3.3.1 制备应变砖28-29
• 3.3.2 制备试件29-30
• 3.3.3 爆破试件30-32
• 3.4 实验结果32-38
• 3.4.1 爆炸应力分析32-36
• 3.4.2 爆破效果分析36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 水压爆破应力波传播及破煤岩机制数值模拟研究39-50
• 4.1 ANSYS/LS-DYNA简介39-40
• 4.2 几何模型40-41
• 4.3 材料模型及参数确定41-42
• 4.4 数值模拟计算42-45
• 4.5 计算结果分析45-49
• 4.6 本章小结49-50
• 5 结论与展望50-52
• 5.1 主要结论50-51
• 5.2 展望51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-56
• 附录56
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文56
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请专利56
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加科研项目情况56

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