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爆炸冲击波和爆生气体的动态作用演化机制的实验与数值分析

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 248-260页

作者：王雁冰孔维文左进京李林青吴宝杨陶志刚国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京科技大学土木与资源工程学院

在岩石爆破过程中，爆炸冲击波和爆生气体的波动机理尚不清楚。通过高速纹影系统和超压测试系统并结合AUTODYN数值模拟分析，对爆炸冲击波和爆生气体的波动机理开展研究。设计了不同炸药类型和装药结构下的5种药包，通过纹影照片直观地... 详细信息

在岩石爆破过程中，爆炸冲击波和爆生气体的波动机理尚不清楚。通过高速纹影系统和超压测试系统并结合AUTODYN数值模拟分析，对爆炸冲击波和爆生气体的波动机理开展研究。设计了不同炸药类型和装药结构下的5种药包，通过纹影照片直观地显示爆生产物的动态作用演化过程。对比分析5种情况下爆炸冲击波和爆生气体在流场中的波动变化，将数值模拟结果与纹影实验结果进行对比并反演了炸药内部爆轰波动过程。结果表明：爆炸冲击波与爆生气体一开始伴随扩展，并以起爆点为中心向外以球形传播。在传播过程中，爆炸冲击波与爆生气体逐渐分离，爆炸冲击波传播速度大于爆生气体的传播速度。在不同的装药结构情况下，爆炸冲击波和爆生气体的分离特征不同，分离的时间随药包外壳约束作用的增强而缩短。在不同的炸药类型情况下，爆炸冲击波和爆生气体的波动形态基本相同，但因炸药材料本身物理力学参数不同，所以爆炸冲击波和爆生气体传播过程中的速度和压力变化会有差异。当存在切口时，爆炸冲击波和爆生气体会优先从切口处向外传播，然后向其他方向进行绕流，切口方向的压力和速度都会变大，切口方向能量集中且管壁优先破坏，达到定向破坏的效果。数值模拟中爆炸冲击波和爆生气体的波动变化形态与纹影实验结果在形态上较为吻合。

关键词：爆炸冲击波爆生气体高速纹影动态演化 AUTODYN

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相邻炮孔爆生裂纹相互作用试验研究

金属矿山 2024年第3期 150-157页

作者：刘朕葛丰源左进京何松林宫国慧帅培马中建北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 鞍钢集团矿业弓长岭有限公司辽宁辽阳111007 攀钢集团矿业有限公司四川攀枝花617000

为了研究爆炸载荷作用下的相邻炮孔间爆生裂纹相互作用机理,采用新型数字激光动态焦散线试验系统,通过改变炮孔间距,调整药包装药结构,研究了不同间距、不同装药结构下爆生裂纹相向扩展作用机理。结果表明:2炮孔均为普通药包时爆生裂纹... 详细信息

为了研究爆炸载荷作用下的相邻炮孔间爆生裂纹相互作用机理,采用新型数字激光动态焦散线试验系统,通过改变炮孔间距,调整药包装药结构,研究了不同间距、不同装药结构下爆生裂纹相向扩展作用机理。结果表明:2炮孔均为普通药包时爆生裂纹随机分布,切缝药包与普通药包相互作用时前期爆生裂纹独立扩展,后期相互吸引互为自由面。2炮孔均为切缝药包相互作用时,炮孔间距较小情况下爆生裂纹在炮孔中心轴线方向贯穿呈“直线型”分布,间距较大时裂纹在炮孔中心轴线方向呈“牵手型”分布。随着炮孔间距增大,裂纹相遇时能量损耗较大,动态应力强度因子峰值和裂纹速度峰值较小,振幅较低,炮孔周围形成的粉碎区面积及次裂纹长度越小,分形维数也越小。

关键词：动态焦散线爆破载荷爆生裂纹应力强度因子分形维数

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大断面一次成巷爆破数值模拟及试验研究

工程爆破 2024年第2期30卷 66-72页

作者：马东尤元元胡世超宫国慧高常胜李宗武吴东海左进京鞍钢集团矿业弓长岭有限公司辽宁鞍山114046 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为有效解决大断面掘进爆破作业中存在的技术难题,在大断面巷道中采用孔间多时序一次成巷爆破技术。利用LS-DYNA有限元数值模拟软件,通过改变大断面巷道炮孔掏槽方式、孔间起爆时差,进行数值模拟计算。在此基础上确定了掏槽方式、炮孔布... 详细信息

为有效解决大断面掘进爆破作业中存在的技术难题,在大断面巷道中采用孔间多时序一次成巷爆破技术。利用LS-DYNA有限元数值模拟软件,通过改变大断面巷道炮孔掏槽方式、孔间起爆时差,进行数值模拟计算。在此基础上确定了掏槽方式、炮孔布置方式等关键爆破技术参数,并进行了现场试验及应用。结果表明:与分步开挖相比,采用孔间多时序全断面一次掘进成巷爆破技术后,巷道成型效果好、炮孔利用率提高18%。改进后的爆破方案有效地解决了大断面分步开挖中面临的问题,对地下矿大断面掘进爆破巷道成型及控制具有一定的参考价值。

关键词：弓长岭铁矿大断面一次成巷孔间多时序炮孔利用率数值模拟

条形药包爆炸全场应变以及裂纹动态断裂特性研究

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工程科学学报 2022年第8期44卷 1306-1314页

作者：左进京杨仁树汪文良龚敏赵勇北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为了探究不同起爆位置下条形药包全场应变以及裂纹动态断裂特性,采用爆炸荷载动态焦散线实验系统和数字图像相关方法(DIC),开展了爆破模型实验研究.研究结果表明:条形药包一端起爆时,起爆点处翼裂纹扩展长度最小,随着炸药爆轰的传播,翼... 详细信息

为了探究不同起爆位置下条形药包全场应变以及裂纹动态断裂特性,采用爆炸荷载动态焦散线实验系统和数字图像相关方法(DIC),开展了爆破模型实验研究.研究结果表明:条形药包一端起爆时,起爆点处翼裂纹扩展长度最小,随着炸药爆轰的传播,翼裂纹扩展长度增长;中心起爆时,中心位置翼裂纹扩展长度小于两端位置翼裂纹扩展长度,一端起爆时非起爆端翼裂纹扩展长度最长.无论中心起爆或一端起爆,条形药包中心区域翼裂纹扩展主要为Ⅰ型裂纹,并且中心翼裂纹起裂韧度最大,端部翼裂纹为以Ⅱ型为主的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹.一端起爆时,拉压应变作用范围沿炸药传爆方向传递,且非起爆端拉压应变作用区域大于起爆端,压应变最大值为距起爆点约0.67~0.83倍的装药长度.中心起爆时,拉压应变的作用过程沿起爆中心向两端呈对称形式传播,中心点位置应变最大.两种起爆方式下都出现端部压应力集中现象.

关键词：条形药包数字图像相关动态焦散线爆炸全场应变应力强度因子

基于数值模拟的岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破研究

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煤炭科学技术 2023年第9期51卷 100-111页

作者：李成孝杨仁树王雁冰徐斌左进京谢平中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿安徽淮南232150

随着炮孔深度增加,炮孔底处岩石夹制作用增强导致破岩效率和炮孔利用率较低,原有的连续装药方式不能解决上述问题。在这个基础上,研究了岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破技术来提升掏槽爆破效率。使用光滑粒子流体动力学−有限元方法(SPH-F... 详细信息

随着炮孔深度增加,炮孔底处岩石夹制作用增强导致破岩效率和炮孔利用率较低,原有的连续装药方式不能解决上述问题。在这个基础上,研究了岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破技术来提升掏槽爆破效率。使用光滑粒子流体动力学−有限元方法(SPH-FEM)建立了不同分段装药结构的单孔掏槽爆破模型,分析了不同模型爆破过程中岩石粒子抛掷速度、岩石抛掷数量以及爆破腔体特征。结果表明:不同装药结构会影响炮孔附近岩石的损伤范围,传统的连续装药结构在炮孔径向形成的损伤区域比分段装药结构大。此外,连续装药结构由于炸药集中在炮孔底部使得炸药能量分布不均匀,导致掏槽爆破效果差;采用分段装药结构可以增加岩石破碎数量和优化爆破腔体,岩石粒子在飞散过程中会产生2次加速现象;第一段装药比例较大或者较小会明显造成炸药能量利用不合理以及爆破腔体效果差。在模拟中设定的炮孔长度、岩石参数以及炸药性能条件下,当第一段装药比例为0.4时,深孔岩石巷道掘进掏槽爆破能够充分利用炸药能量,达到较好的掏槽爆破效果。将数值模拟得到的最优分段比例应用到现场巷道掘进爆破施工中,并利用数码电子雷管实现掏槽孔内2段炸药的延时起爆。现场试验结果表明分段装药能够在深孔掏槽爆破中创造良好的爆破效果以及提高炮孔利用率。

关键词：岩石巷道巷道掘进深孔掏槽爆破分段装药掏槽效果

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分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律

爆炸与冲击 2023年第3期43卷 167-178页

作者：左进京杨仁树龚敏谢全民赵勇尤元元北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 江汉大学省部共建精细爆破国家重点实验室湖北武汉430056 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为探究分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律,采用数字图像相关分析方法与电子计算机断层扫描实验方法,分析了孔内分段装药爆炸全场应变传播规律,建立了爆后“岩石—爆炸裂隙”的三维重构模型,描述了爆炸裂纹位置与形态的空间分布情况,... 详细信息

为探究分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律,采用数字图像相关分析方法与电子计算机断层扫描实验方法,分析了孔内分段装药爆炸全场应变传播规律,建立了爆后“岩石—爆炸裂隙”的三维重构模型,描述了爆炸裂纹位置与形态的空间分布情况,得到岩石材料爆炸裂隙的分形维数与损伤度。研究结果表明:分段装药改变了连续装药对介质的全场应变形态,由一次应变改变为两次应变,在满足第一段炸药对介质的破坏作用下,同时加大了第二段炸药对介质的作用效应;上分段装药占比0.4时,下分段介质受爆炸作用应变峰值更大,更好满足工程实践中下半段岩体对爆炸能量的需求;相同装药系数下,连续装药结构爆炸裂纹没有贯穿试件整体,炮孔封堵段的爆炸裂纹较少,分段装药结构下,由于提高了炸药的位置,使得上部分岩体能够更好地利用炸药爆炸的能量破碎岩石;分段装药岩石整体损伤度较连续装药提高了23.5%,其中上分段岩石损伤差异较大,分段装药上分段损伤度比连续装药提高46.4%。

关键词：爆炸分段装药应变场裂隙场三维重构

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基于DIC技术的爆炸应力波过异质界面应变场演化规律实验研究

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爆炸与冲击 2022年第12期42卷 50-65页

作者：杨仁树赵勇赵杰左进京葛丰源陈程丁晨曦北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室北京100083 天津宏泰华凯科技有限公司天津301913 江汉大学爆破工程湖北省重点实验室湖北武汉430056

采用氯仿粘结聚碳酸酯(polycarbonate,PC)板和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点... 详细信息

采用氯仿粘结聚碳酸酯(polycarbonate,PC)板和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆,靠近界面端部时定义为孔底起爆;借助数字图像相关实验系统,研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明,异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形态。孔口起爆时,异质界面受爆破荷载作用后易形成应力集中区,界面处产生开裂,横向拉伸波作用是造成异质界面开裂的主要原因。起爆方式对过界面后介质PMMA的横/纵向拉、压应变场作用贡献不同,主要体现在应变场强度、拉/压应变场位置分布2个方面。在炮孔底部区域,起爆方式对应变场时程特性的影响主要体现在作用时效长短和应变强度2个方面。孔口起爆时,横/纵向应变体现出短时效、高强度的变化特征。就应变强度而言,起爆方式对横向压应变的影响显著强于其对纵向拉应变的影响。对空间分布特性影响主要体现在衰减程度,起爆方式对纵向应变衰减程度影响较大。无论采用何种起爆方式,爆炸应变场在PC介质中衰减速度较快,进入PMMA介质后衰减速度显著降低。

关键词：数字图像相关法爆炸应力波异质界面起爆方式模型实验

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冲击荷载下运动裂纹与空孔相互作用的焦散线试验研究

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矿业科学学报 2022年第2期7卷 210-216页

作者：骆浩浩张渊通左进京李成孝李炜煜中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001

为了研究含有圆形缺陷的半圆盘试件在不同冲击速度下的断裂特征,采用霍普金森杆加载系统和动态焦散线试验系统,对半圆盘试件进行了试验研究。结果表明:裂纹起裂前,焦散斑半径出现跳跃情况,是入射杆的反复加载造成的;随着冲击速度的增加... 详细信息

为了研究含有圆形缺陷的半圆盘试件在不同冲击速度下的断裂特征,采用霍普金森杆加载系统和动态焦散线试验系统,对半圆盘试件进行了试验研究。结果表明:裂纹起裂前,焦散斑半径出现跳跃情况,是入射杆的反复加载造成的;随着冲击速度的增加,裂纹穿过圆形缺陷的应力强度因子峰值有所增加,裂纹穿过圆形缺陷的扩展速度也增加明显;随着圆形缺陷半径的增大,裂纹在圆形缺陷处发生二次起裂时的应力强度因子变大。

关键词：半圆盘焦散线裂纹扩展速度应力强度因子 SHPB

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爆炸载荷下空孔及其缺陷对裂纹扩展影响机理研究

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振动与冲击 2019年第18期38卷 115-121页

作者：张召冉左进京郭义先北方工业大学土木工程学院北京100141 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 北京市勘察设计研究院有限公司北京100038

空孔在岩石爆破中的作用越来越受到重视,为研究岩石爆破中空孔及其缺陷对裂纹的影响,以PMMA代替岩石材料,利用动态焦散线系统重点研究空孔及其背爆侧缺陷对裂纹扩展的影响。在预制裂纹长度及其与炮孔间距不变的条件下,空孔直径为10 mm,2... 详细信息

空孔在岩石爆破中的作用越来越受到重视,为研究岩石爆破中空孔及其缺陷对裂纹的影响,以PMMA代替岩石材料,利用动态焦散线系统重点研究空孔及其背爆侧缺陷对裂纹扩展的影响。在预制裂纹长度及其与炮孔间距不变的条件下,空孔直径为10 mm,20 mm和30 mm时,裂纹扩展长度分别为1.46 cm,2.13 cm和5.29 cm;裂纹扩展速度分别为266.64 m/s,366.63 m/s和466.64 m/s;应力强度因子分别为0.89,1.11和1.34;即随着空孔直径的增大,背爆侧预制裂纹扩展越容易。通过建立力学模型解释其机理,空孔直径加大了应力波的反射范围,增强了空孔边界处岩体单元的受力强度,导致裂纹的产生和发展。一定范围内空孔直径大小条件下,空孔反射应力波产生的合力方向对背爆侧裂纹扩展产生影响,主要表现为应力波的强度的水平分力方向与裂纹扩展方向的关系,当两者方向相同时对裂纹扩展起到促进作用,裂纹扩展越长;当两者方向相反时,起到抑制作用,裂纹扩展越短。

关键词：岩石爆破空孔预制裂纹裂纹扩展