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颗粒混凝土力学性能及隧道衬砌层抗爆性能研究

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颗粒混凝土力学性能及隧道衬砌层抗爆性能研究

作者：时本军安徽理工大学

学位级别：硕士

近年来,隧道及地下工程领域发展迅速,给人们生活生产提供了极大的方便。同时,隧道施工和运营中的各种安全隐患也逐渐受到人们的重视。为了探索颗粒混凝土作为隧道衬砌层抗爆性能的特性及其影响因素,本文通过实验研究颗粒混凝土静态和不... 详细信息

近年来,隧道及地下工程领域发展迅速,给人们生活生产提供了极大的方便。同时,隧道施工和运营中的各种安全隐患也逐渐受到人们的重视。为了探索颗粒混凝土作为隧道衬砌层抗爆性能的特性及其影响因素,本文通过实验研究颗粒混凝土静态和不同应变率下力学行为,同时建立颗粒混凝土 Z-W-T本构方程,利用该本构方程对隧道衬砌层进行了数值模拟研究。利用MTS万能试验机,基于材料力学相关知识,实验得到颗粒、普通混凝土的相关力学参数。对比分析了颗粒混凝土静态应力-应变关系及其破坏形态。实验结果表明:颗粒混凝土在应变率为448.8s-1,试样才出现明显的破坏,仍保持完整块状,而普通混凝土在应变率为116.01s-1发生了完全没有承载力碎块状,同时随着应变率的增大,普通混凝土由碎块状过渡到粉末状破碎;两种混凝土均为应变率敏感材料,即颗粒混凝土和普通混凝土应力峰值均随应变率增大而增大;在不同应变率下,动态应力增长因子DIF随之应变率增加而增加的变化规律,并拟合得到两者之间满足的线性曲线和关系方程式,其中颗粒混凝土抗压强度的应变率敏感性不如普通混凝土。基于Z-W-T本构关系,在已知每个物理量的条件下,使得简化后的Z-W-T本构关系方程含有A、α、β、E0、E1、θ1、E2、θ2八个参数,建立了颗粒混凝土动态近似等效本构关系,通过实验获得相关的数据利用ORIGIN软件得到本构关系的各参数值大小,同时动态本构方程能描述峰前峰后信息,为后文模拟提供良好方程,便于推广。利用建立改进Z-W-T本构关系,模拟了不同TNT等效质量下和不同炸药位置下颗粒混凝土隧道衬砌结构的抗爆性能,并与普通混凝土进行比较;模拟结果表明:随之TNT等效质量增加颗粒混凝土作为隧道衬砌层等效塑应变最大值各是对照组等效塑应变最大值的 0.8015、0.8385、0.8840、0.9159、0.9068、0.9293、0.9724、0.9751、0.9604和0.9342,颗粒混凝土作为隧道衬砌层优于对照组。对于爆炸位置变化,其爆炸后等效塑应变的最大值普遍增大,其中在TNT等效质量为100kg时,颗粒混凝土作为隧道衬砌层等效塑应变最大值与在方案一下对应等效质量TNT下等效塑应变最大值的1.406倍。

关键词：颗粒混凝土 MTS实验霍普金森杆破坏形态抗爆性能本构关系

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腔体影响全巷道甲烷爆炸冲击波传播的特性

煤炭学报 2020年第S02期45卷 841-849页

作者：时本军穆朝民马海峰焦振华齐娟安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001

近年来,国内外学者对甲烷爆炸抑爆技术主要分为主动式和被动式两大类,对煤矿甲烷抑爆的发展产生了积极的影响,而现有被动式抑爆技术通常是一次性,对于全巷道瓦斯次生爆炸失效,主动式响应时间长,维修成本昂贵。为探索巷道结构对甲烷爆炸... 详细信息

近年来,国内外学者对甲烷爆炸抑爆技术主要分为主动式和被动式两大类,对煤矿甲烷抑爆的发展产生了积极的影响,而现有被动式抑爆技术通常是一次性,对于全巷道瓦斯次生爆炸失效,主动式响应时间长,维修成本昂贵。为探索巷道结构对甲烷爆炸传播性能影响,以数值模拟方法对800 mm×500 mm×200 mm和500 mm×500 mm×200 mm(长×宽×高)双腔体进行分析,发现该腔体具有良好的消波效果。选用与数值模拟一样尺寸腔体结构,使用钢质材料加工成串联的双腔体作为试验腔体,ABC干粉作为抑爆剂,并与部分充填甲烷腔体进行对比分析,从火焰速度、火焰持续光照强度和爆炸波峰值超压的影响情况来判定抑爆效果。结果表明:数值模拟发现,甲烷爆炸在双腔内的传播过程,火焰传播过程经历熄灭与再次点燃阶段,腔体中的爆炸波被分批次传送出;2号腔体进一步提高了熄火、消波性能;腔体通过爆炸波的折射、反射和叠加等综合作用有效抑爆,在两腔体内来回震荡,在此过程中,预混气体耗尽火焰消失,爆炸波被分批传出。试验发现,双腔体对甲烷爆炸波传播有抑制作用,全充填甲烷的火焰大小和爆炸波峰值超压比部分充填甲烷腔体时衰减率均降低,耦合干粉提高了双腔体对火焰和爆炸波的抑制率,其中干粉量是800 g,火焰速度衰减率和峰值超压衰减率较全充填甲烷腔体分别提升了58.11%和25.80%,火焰大小衰减率达到98.13%。

关键词：甲烷爆炸抑爆腔体火焰速度

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空腔体积比对甲烷爆炸冲击波传播机制的影响

中国安全科学学报 2020年第3期30卷 87-93页

作者：时本军穆朝民周辉李重情安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为探究空腔相对体积比的变化对甲烷爆炸冲击波抑制作用的影响,采用计算流体力学(CFD)软件和大型圆管甲烷爆炸试验系统研究空腔相对体积比对甲烷爆炸冲击波的影响。结果表明:腔体相对体积比由4. 8变为7. 9,空腔对峰值超压消减作用增强,... 详细信息

为探究空腔相对体积比的变化对甲烷爆炸冲击波抑制作用的影响,采用计算流体力学(CFD)软件和大型圆管甲烷爆炸试验系统研究空腔相对体积比对甲烷爆炸冲击波的影响。结果表明:腔体相对体积比由4. 8变为7. 9,空腔对峰值超压消减作用增强,火焰持续光照强度消减作用骤然增强;腔体相对体积比增加到12. 7时,拟合得到火焰持续光照强度衰减因子呈现"L"衰减关系,整体火焰持续光照强度消减基本趋于稳定,火焰持续光照强度衰减率由90. 8%变为90. 9%;峰值超压衰减因子衰减先慢后快;腔体相对体积比为12. 7时抑爆效果最佳,整体火焰持续光照强度衰减率90. 9%,峰值超压衰减率30. 8%。

关键词：腔体相对体积比火焰持续光照强度数值模拟峰值超压

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地下爆炸等效当量及耦合地冲击计算

岩石力学与工程学报 2023年第S02期42卷 4064-4072页

作者：李杰郭纬徐天涵时本军蒋海明王明洋陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点试验室江苏南京210007

为突破地下爆炸地冲击威力估算长期依赖有限试验数据的局限,在系统梳理国内外研究成果基础上,通过系统分析大当量地下爆炸成坑地冲击耦合作用机制,从理论上揭示地下爆炸破坏区体积与耦合地冲击能量的大小规律,建立等效当量系数、地冲击... 详细信息

为突破地下爆炸地冲击威力估算长期依赖有限试验数据的局限,在系统梳理国内外研究成果基础上,通过系统分析大当量地下爆炸成坑地冲击耦合作用机制,从理论上揭示地下爆炸破坏区体积与耦合地冲击能量的大小规律,建立等效当量系数、地冲击能量耦合系数与地冲击应力耦合系数三者的理论计算方法与换算关系,系统地给出不同埋深下地下爆炸地冲击应力与粒子速度的计算方法,并通过现场试验数据及模型试验分别验证化爆、核爆条件下理论模型与计算公式的准确性,为钻地武器地冲击计算提供新的计算思路。

关键词：爆炸力学地下爆炸临界深度地冲击效应耦合系数模型试验

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黏土中爆炸成坑地冲击耦合效应实验研究

爆炸与冲击 2023年第6期43卷 158-171页

作者：时本军李杰郭纬徐天涵徐小辉李干蒋海明陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室江苏南京210007

为获得黏土中爆炸成坑体积与耦合地冲击能量的关系,采用10.5 g TNT厘米级球形炸药球作为爆炸源,在Φ1500 mm×1490 mm分层式爆炸装置中开展了变埋深条件下的爆炸实验,利用3D扫描设备记录不同埋深下弹坑的真实体积,并通过动态土压力传感... 详细信息

为获得黏土中爆炸成坑体积与耦合地冲击能量的关系,采用10.5 g TNT厘米级球形炸药球作为爆炸源,在Φ1500 mm×1490 mm分层式爆炸装置中开展了变埋深条件下的爆炸实验,利用3D扫描设备记录不同埋深下弹坑的真实体积,并通过动态土压力传感器测得地冲击传播衰减规律。实验结果表明:随埋深增大,耦合至黏土中的有效地冲击能量急剧增大,装药中心下方的有效弹坑体积与耦合至黏土中的有效地冲击能量基本呈正比关系,当装药比例埋深与封闭爆炸条件下爆炸空腔半径相当时,耦合至黏土中的有效地冲击能量基本达到饱和。结合实验结果给出了黏土中爆炸耦合地冲击能量分配随装药比例埋深的变化规律,建立了地下爆炸等效封闭当量计算方法,为地下工程抗爆设计提供了理论依据。

关键词：爆炸成坑黏土等效封闭当量地冲击耦合系数

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混凝土中多点聚集爆炸效应起爆参数优化设计

爆炸与冲击 2024年

作者：时本军李杰徐小辉徐天涵郭纬李孝臣李超李干陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室

混凝土介质中多点同时或彼此微差爆炸可产生复杂的地冲击波叠加聚集效应，从而使特定作用区域内的地冲击波压力显著增强，大大提升爆炸的毁伤威力。为获取多点爆源不同排布方式下爆炸聚集效应及地冲击传播衰减规律，进行了混凝土中单点和七点聚集爆炸的现场和数值模拟试验，基于正交设计方法和灰色系统理论对多点起爆参数进行了优化设计，建立了比例装药间距、比例有源装药高度、比例起爆微差等因素与不同爆心距下峰值压力间的灰色关联度系数及灰色关联度，确定了起爆参数的优选组合，并开展了数值模拟试验检验。分析结果表明：影响地冲击聚集效应的影响因素主次为：比例装药间距、比例起爆微差和比例有源装药高度。在本模拟试验情况下，采用优化的起爆参数时，即在比例装药间距0.549 m/kg1/3、比例起爆微差0.239 m/kg1/3和比例有源装药高度为0 m/kg1/3时，地冲击波聚集效应达到最佳，最大可达单点同等装药量产生的地冲击压力的4.7倍。

关键词：灰色理论聚集爆炸混凝土关联度优化设计

含瓦斯腔体及内置ABC干粉对瓦斯爆炸影响研究

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中国安全科学学报 2020年第3期30卷 102-108页

作者：黄强穆朝民周辉李重情时本军王金来安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点试验室安徽淮南232001

为探索一种瓦斯泄漏至硐室结构后发生爆炸的抑制方法,自行搭建管径为200 mm、总长为17 500 mm并含500 mm×500 mm×200 mm(长×宽×高)腔体的大型圆管爆炸试验系统,测试该尺寸腔体内含瓦斯和其内置ABC干粉的抑爆效果;利用数值模拟方法,... 详细信息

为探索一种瓦斯泄漏至硐室结构后发生爆炸的抑制方法,自行搭建管径为200 mm、总长为17 500 mm并含500 mm×500 mm×200 mm(长×宽×高)腔体的大型圆管爆炸试验系统,测试该尺寸腔体内含瓦斯和其内置ABC干粉的抑爆效果;利用数值模拟方法,分析上述尺寸腔体内含瓦斯时的爆炸传播特征。结果表明:无瓦斯腔体结构对瓦斯爆炸有较好抑制效果,而含瓦斯腔体结构则相反,其腔体后较腔体前爆炸火焰及冲击波峰值超压分别增大1. 68倍和1. 45倍;含瓦斯腔体结构内置ABC干粉量分别为400和300 g时,腔体后较腔体前的爆炸火焰大小及冲击波峰值超压由增加变为减小,当内置ABC干粉量为600 g时,火焰及冲击波抑制率较无内置ABC干粉时抑制率分别提高108. 4%和77. 46%。

关键词：瓦斯爆炸冲击波火焰 ABC干粉数值模拟

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煤炭绿色开采技术设计

内蒙古煤炭经济 2019年第1期 37-38页

作者：时本军蒋光勇安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 安徽理工大学化学工程学院安徽淮南232001

利用甲烷菌等微生物能够将煤炭分解成甲烷气体的特性,基于现矿井瓦斯抽采技术研发出"一种基于微生物气化原理的薄煤层抽采系统"。矿井生物气化抽采系统利用高瓦斯矿井现有的瓦斯抽采巷道,通过钻孔进入薄煤层,结合微生物气化原理,将薄煤... 详细信息

利用甲烷菌等微生物能够将煤炭分解成甲烷气体的特性,基于现矿井瓦斯抽采技术研发出"一种基于微生物气化原理的薄煤层抽采系统"。矿井生物气化抽采系统利用高瓦斯矿井现有的瓦斯抽采巷道,通过钻孔进入薄煤层,结合微生物气化原理,将薄煤层中的煤炭资源分解成甲烷气体,再通过现有的瓦斯抽采系统抽出,不仅提高薄煤层资源回收率,达到变废为宝、绿色开采的目的,还提高了现有瓦斯抽采巷道的利用率,降低了高瓦斯矿井瓦斯治理的成本。

关键词：微生物分解瓦斯抽采回收率

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颗粒混凝土冲击压缩动态力学特性试验研究

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2024年第1期40卷 85-92页

作者：韩国庆穆朝民陆显峰王阔时本军安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室南京210007

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒... 详细信息

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒混凝土试样的毁坏模式是非脆性碎裂,呈现出延性特点;随着冲击速度的增大,破坏后的形状由试样被压扁(形态基本完整,表现出明显的可压缩性)过渡到絮状.应变率在103.88~464.71 s^(-1)时,试样的峰值应力随着应变率的变大而增大,表现出明显的应变率效应.根据实验现象和实验数据进行分析,推导建立了颗粒混凝土峰值应力前和峰值应力后应力-应变的等效本构方程,将实验数据与拟合数据进行对比,具有较为明显的一致性,验证了本构方程的准确性.

关键词： SHPB 颗粒混凝土动力学峰值应力应变率本构方程