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CO气爆水击波与地震波效应试验研究

爆破 2023年

作者：范怀斌陆少锋莫崇勋覃才勇刁约杨超广西新港湾汪旭光院士工作站广西新港湾工程有限公司广西大学土木建筑工程学院广西壮族自治区水下破岩工程研究中心桂林理工大学材料科学与工程学院广西大学资源与环境学院

在航道疏浚工程中对高于设计水底标高的水下礁石，多采用水下钻爆清礁工艺。而水下岩层通过钻爆清挖后仍有部分岩石未能完全清除并残留不规则，不稳定的水下浅点。实际施工中经常采用乳化炸药水下钻孔爆破或裸露爆破法清除这类孤石，裸... 详细信息

在航道疏浚工程中对高于设计水底标高的水下礁石，多采用水下钻爆清礁工艺。而水下岩层通过钻爆清挖后仍有部分岩石未能完全清除并残留不规则，不稳定的水下浅点。实际施工中经常采用乳化炸药水下钻孔爆破或裸露爆破法清除这类孤石，裸爆相对于钻孔爆破，炸药与岩面的接触面小，炸药使用量大，会出现能量利用率低、炸药单耗高、噪音和水击波大，影响生态环境等问题。为了分析浅点爆破影响因素，进行现场监测研究，对比水下薄层岩石裸露爆破法和钻孔爆破法，在相同作用效果下，CO2裸爆、钻孔CO2气爆和钻孔乳化炸药爆破水击波和地震波数据。本文以防城港18#-22#泊位码头基槽、停泊地开挖、炸礁及清礁工程为例，根据岩层性质、岩层形态、被炸岩石顶部的水深和浅点厚度等制定药包排列和用药量方案。通过对比分析得出相同气瓶条件，CO2裸爆是钻孔CO2气爆水击波超压值的1.87～41.9倍。应用水下钻孔乳化炸药爆破是CO2气爆水击波的7.9～ 18.7倍，产生的振动数值是后者的3～10倍。本文以解决实际工程问题为基本出发点，在研究水下爆破水击波传播规律的基础上，综合分析水中冲击波有害效应影响规律。

关键词：水下爆破 CO 气爆浅点水击波地震波

静荷载下CO_(2)气爆对型煤裂纹扩展影响分析

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西安科技大学学报 2022年第2期42卷 251-259页

作者：潘红宇秦斌峰张天军张磊纪翔王康包若羽西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西安科技大学能源学院陕西西安710054 应急管理部信息研究院北京100029

CO_(2)气爆致裂是提高深部高瓦斯煤层透气性的重要手段,致裂效果在很大程度上受地应力和气爆压力的影响。为研究地应力和气爆应力下型煤裂纹扩展特征,自主搭建CO_(2)气爆试验平台,结合非接触式全场应变检测系统和超声设备,开展不同静载... 详细信息

CO_(2)气爆致裂是提高深部高瓦斯煤层透气性的重要手段,致裂效果在很大程度上受地应力和气爆压力的影响。为研究地应力和气爆应力下型煤裂纹扩展特征,自主搭建CO_(2)气爆试验平台,结合非接触式全场应变检测系统和超声设备,开展不同静载压力与气爆压力的正交试验,获取试样表面破坏图像序列和超声波形,分析不同实验条件下试样的裂纹形态、全场应变、孔周裂纹张开位移及超声波衰减系数。结果表明:相同静载压力条件下,裂纹条数及其与水平方向夹角均随气爆压力增大而增大;气爆压力相同时,轴向静载压力增加也会使裂纹宽度、数量、长度有所增加,且裂纹更易沿着静载增加的方向扩展;静载压力和气爆压力两者共同对裂纹扩展起作用。气爆压力与静载压力呈梯度增加时,孔周裂纹张开位移从0.2 mm扩大到2.02 mm,数值提高近10倍。气爆后超声波首波波幅呈现降低的趋势,超声衰减系数随着气爆压力增加而增大,反映出试样内部裂纹随着荷载压力的增加扩展更加充分。

关键词：气爆静载压力裂纹扩展数字散斑

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深隧折板型竖井气爆危害及控制措施研究

深隧折板型竖井气爆危害及控制措施研究

作者：陈峰西南交通大学

学位级别：硕士

随着城市化进程的不断推进,基于海绵城市理念的深层隧道排水系统成为大城市解决内涝灾害、消除溢流污染的重要途径。由于深隧系统落差较大,需采用竖井对雨污水进行运输与消能,而折板型竖井因其适用性强、消能效果显著等特点被广泛应用... 详细信息

随着城市化进程的不断推进,基于海绵城市理念的深层隧道排水系统成为大城市解决内涝灾害、消除溢流污染的重要途径。由于深隧系统落差较大,需采用竖井对雨污水进行运输与消能,而折板型竖井因其适用性强、消能效果显著等特点被广泛应用。正常泄流时,雨污水在竖井内自上而下流动,而在强降雨条件下,深隧系统中雨水快速填充,过程中挟带大量空气进入主隧道形成高压截留气团,当截留气团到达下游竖井时迅速释放并带动竖井内的水流向外喷出,引发严重的气爆危害。当气爆在折板型竖井中形成时,高速气液两相流可能从干区喷出并掀飞井盖,也可能在湿区冲断折板,造成结构破坏,严重威胁生命及财产安全。因此,论文开展了长度比尺为1:50的水工物理模型试验并结合数值模拟,对折板型竖井内气爆的发生机理及危害进行了研究与分析,并在此基础上对其控制措施进行了一系列探索。主要研究成果如下:(1)通过观察试验中的气爆现象,分析关键位置压强的变化规律并结合对空泡份额以及水平管直径的研究,揭示了折板型竖井内的气爆发生机理:由于高压气团“持续”或“阶段性”释放,导致竖井内液体发生高度雾化,并在竖井底部入口处形成巨大压强差,在雾化与压差的共同作用下,混合流体从折板型竖井的干区喷出并在湿区猛烈冲击折板。(2)明确了气爆在折板型竖井干区和湿区内引发的两种不同类型的危害,分别为在干区掀飞井盖引发的交通安全隐患以及在湿区冲断折板引发的结构破坏,并指出了试验中表征两种危害的关键参量分别为气爆喷射高度和折板冲击荷载,进而分析了两者随进气压、进气量以及初始水深等气爆初始条件的变化规律。分析结果表明:气爆喷射高度与进气压和进气量呈正相关,而随初始水深的增大呈现出先减小后增大的趋势,初始水深约为竖井高度1/4时将使气爆喷射高度降至最低;折板冲击荷载亦与进气压和进气量呈正相关,与初始水深之间无明显相关性,但当竖井内自由液面“紧邻”折板时,折板将会承受较大冲击荷载。在此基础上,分别建立了气爆喷射高度和最大冲击荷载的预测模型,该预测模型可预估不同初始条件下的气爆危害程度。(3)在研究了折板型竖井内气爆发生机理和危害的基础上,从联络管接入方式、干湿区连通区域、限流孔板以及节流通气管等多个角度对气爆的控制措施展开了研究。主要得到以下结论:联络管接入湿区可降低较大冲击荷载出现的概率;增大干湿区连通区域面积可减弱折板所受冲击荷载,且调整联通区域位置可以有效降低气爆喷射高度;限流孔板的设置可以大幅削减气爆喷射高度,但为防止孔板自身结构受荷破坏,其开孔面积不宜过小,且孔板的最优设置位置为竖井中部;节流通气管的设置可有效抑制气爆的喷发并减弱折板冲击荷载,节流通气管的最优设置位置约为联络管长度2/3处(远离竖井一端)。进而提出折板型竖井气爆综合控制方案:联络管接入湿区的同时将干湿区连通区域开辟在中隔板边缘,并在竖井高度1/2处和联络管长度2/3处(远离竖井一端)分别设置限流孔板和节流通气管。上述研究成果揭示了折板型竖井内的气爆发生机理,明确了折板型竖井内的气爆危害类型,并建立了相应的预测模型以预估不同初始条件下的气爆危害程度,进而提出了多种控制措施及方案。该成果可为折板型竖井正常安全运行提供重要技术支撑和理论指导。

关键词：深层隧道排水系统折板型竖井气爆气液两相流控制措施

超临界CO2气爆致裂增透机制及其在大兴矿的应用研究

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超临界CO2气爆致裂增透机制及其在大兴矿的应用研究

作者：田曾强辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

我国高瓦斯和突出矿井分布广泛,煤层透气性低,不利于瓦斯抽采,超临界CO气爆技术在煤层瓦斯增透方面得到了一定程度的应用。本文以大兴煤矿为工程背景,运用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究超临界CO气爆作用下煤体裂隙扩... 详细信息

我国高瓦斯和突出矿井分布广泛,煤层透气性低,不利于瓦斯抽采,超临界CO气爆技术在煤层瓦斯增透方面得到了一定程度的应用。本文以大兴煤矿为工程背景,运用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究超临界CO气爆作用下煤体裂隙扩展和应力波传播规律,致裂增透煤体瓦斯有效抽采半径,并进行了工程应用,对提高高瓦斯低透煤层瓦斯抽采效果具有重要意义。理论分析超临界CO的物理性质和气爆致裂技术原理;基于CO的SW状态方程计算充装量1L,释放压力300MPa时超临界CO气爆在等熵条件下的TNT当量,为191.2g;分析超临界CO气爆应力波的传播衰减规律、煤体致裂分区特征、起裂准则及裂隙发育延展规律。利用LS-DYNA软件模拟分析超临界CO气爆煤体裂隙和应力波演化过程。单钻孔超临界CO气爆条件下,应力波随传播距离的增加逐渐衰减,根据损伤变量D确定有效致裂半径为2.6m。5m、6m和7m钻孔间距下,双钻孔超临界CO气爆应力波在钻孔间煤体产生应力叠加效应,促进了裂隙发育,双钻孔气爆致裂的最佳间距为6m。增加控制孔虽能够有效增大损伤区域,在一定程度上促进裂隙的发育,但不能大范围增加双钻孔致裂有效间距。利用COMSOL软件模拟结果显示,抽采120d时单钻孔气爆致裂增透后瓦斯有效抽采半径为3.48m;抽采100d时,6m间距气爆增透钻孔即可达到瓦斯预抽达标标准。大兴煤矿S709工作面超临界CO气爆致裂试验显示,单钻孔气爆有效致裂半径范围为[2.5m,3m);双孔气爆间距6m时,钻孔瓦斯抽采浓度平均增幅262%,瓦斯抽采流量平均增幅227%;瓦斯解吸量平均减幅40.35%,瓦斯含量平均减幅46.02%。超临界CO气爆致裂有效提高了S709工作面煤层的瓦斯抽采效率。论文有图42幅,表13个,参考文献94篇。

关键词：超临界CO2 气爆应力波煤体裂隙数值模拟

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大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验

中国电机工程学报 2019年第12期39卷 3569-3577页

作者：闫江燕马宇飞于万水李庆民姚威 Yan Joseph D. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 西安爱邦电磁技术有限责任公司陕西省西安市710077 利物浦大学电机工程与电子学系英国利物浦L69 3GJ

风机叶片雷击事故多发,而雷击下桨叶机械损伤机理的研究很少。通过调研风电场雷击数据和实验模拟,获得雷击位置分布规律,结合桨叶材料损伤得到雷击电弧多通道路径。采用极细镍铬丝铺设电弧路径,对5m长风机叶片开展大电流注入实验,发现... 详细信息

风机叶片雷击事故多发,而雷击下桨叶机械损伤机理的研究很少。通过调研风电场雷击数据和实验模拟,获得雷击位置分布规律,结合桨叶材料损伤得到雷击电弧多通道路径。采用极细镍铬丝铺设电弧路径,对5m长风机叶片开展大电流注入实验,发现引下线在两腹板之间,会减小后缘开裂长度,但将对后缘腹板及两腹板之间区域造成巨大损伤;引下线在后缘腹板外侧,可将损伤控制在后缘腹板之外。引弧孔距叶尖较远时,损伤以引弧孔为中心向两侧等距延伸;引弧孔距叶尖越近,叶尖方向的损伤越严重,直至危及叶尖接闪器。高速相机拍摄的动态过程表明,叶尖方向的损伤主要缘于电弧气流的多次回流冲击。研究成果可帮助揭示叶片动态损伤机制,指导其防雷设计。

关键词：雷击电弧风机桨叶电弧路径冲击电流气爆

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超临界CO_2气爆煤体致裂规律模拟研究

中国矿业大学学报 2017年第3期46卷 501-506页

作者：孙可明辛利伟王婷婷王金彧辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为研究超临界二氧化碳气爆应力波和爆生气体致裂煤体的规律,通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴压力时程曲线,反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数,建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型,应用光滑粒... 详细信息

为研究超临界二氧化碳气爆应力波和爆生气体致裂煤体的规律,通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴压力时程曲线,反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数,建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型,应用光滑粒子流体动力学方法对不同压力的超临界二氧化碳气爆煤体过程进行了模拟计算,揭示了粉碎区和裂隙区的破坏规律和形成机理,得到了气爆过程中爆破压力的分布.结果表明:煤体破坏形貌与实验结果一致;超临界二氧化碳气爆产生的冲击载荷超过爆孔周围煤体的动态抗压强度形成粉碎区,粉碎区外的介质在应力波作用下产生径向位移,形成环向拉应力,连同爆生气体的气楔作用使得环向拉应力超过煤体动态抗拉强度发生开裂形成裂隙区;裂隙扩展范围和密集程度与超临界二氧化碳气爆压力正相关.

关键词：超临界CO2 气爆光滑粒子流体动力学应力波数值模拟

初应力条件下超临界CO_2气爆致裂规律模拟研究

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振动与冲击 2018年第12期37卷 232-238页

作者：孙可明辛利伟吴迪王金彧辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

考虑到超临界CO_2气爆技术应用环境多受到初始地应力作用,利用自主研发的超临界CO_2气爆发生装置,在电液伺服三轴加载平台上进行了初应力条件下超临界CO_2气爆混凝土试件实验,得到了气爆冲击压力时程曲线和不同载荷工况下试件的破坏形... 详细信息

考虑到超临界CO_2气爆技术应用环境多受到初始地应力作用,利用自主研发的超临界CO_2气爆发生装置,在电液伺服三轴加载平台上进行了初应力条件下超临界CO_2气爆混凝土试件实验,得到了气爆冲击压力时程曲线和不同载荷工况下试件的破坏形貌。利用JWL状态方程拟合气爆冲击压力时程曲线确定的参数计算气爆过程中超临界CO_2的相变过程,通过开发程序将材料拉伸和压缩硬化引入Johnson-Cook模型,联合使用SPH和FEM对不同初应力条件下超临界CO_2气爆致裂过程进行了模拟计算,实验和数值模拟一致表明:超临界CO_2气爆后试件形成粉碎区和裂隙区,粉碎区是由气爆冲击波将气爆孔附近介质压碎形成的,初应力对粉碎区的形状和范围影响不大;裂隙区主要是由爆生气体的气楔作用形成的,且主裂隙方向与最大初始压应力方向一致,初应力对垂直于自身方向裂隙的扩展具有抑制作用;随着初始压应力的增大,相同爆破条件下裂隙生成条数和裂隙扩展的总长度都降低。计算结果与实验结果的一致性表明改进后的JC模型适用于超临界CO_2气爆的模拟。

关键词：初始应力超临界CO2 气爆应力波数值模拟裂纹扩展

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超临界CO_2气爆煤体致裂机理实验研究

爆炸与冲击 2018年第2期38卷 302-308页

作者：孙可明辛利伟吴迪辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为提高超临界CO_2气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO_2气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1m×1m×0.5m)进行了超临界CO_2气爆实验,用动... 详细信息

为提高超临界CO_2气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO_2气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1m×1m×0.5m)进行了超临界CO_2气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO_2冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO_2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合"S"形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。

关键词：超临界CO2 气爆致裂机理冲击波

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

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应用力学学报 2019年第2期36卷 466-472,516页

作者：孙可明王金彧辛利伟辽宁工程技术大学力学与工程学院阜新123000

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到... 详细信息

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。

关键词：超临界CO2 气爆煤岩体气楔作用次生裂纹