文摘
为了研究高压气体爆破断裂的问题,建立了高压气体爆破裂纹实验系统;气体压力和气体体积的影响裂纹扩展的形态进行了研究;的p- - - - - -t压力曲线在爆破过程中随着时间的推移得到;和高压气体爆破裂纹的机理进行了分析。结论表明,高压气体爆破效果的阶段测试块包括三个阶段:气体射流冲击阶段,裂纹萌生和发展阶段,穿孔破裂阶段。在设计5 MPa的气体压力,实验主要块只产生一个纵向裂纹。随着气压的增加到7.5 MPa和10 MPa,除了形成一个主要纵向裂缝、横向裂缝主要是由4 - 6二次裂缝进一步扩大。在同一体积的气体压力无论大小,设计每个阶段压力变化有相同的长度,和实验块破裂压力基本上是相同的。与设计压力越高,破裂压力和破裂压力高。在相同设计的气体压力,气体体积大,所需的断裂压力实验小块。
1。介绍
汽油的渗透率煤层普遍低,只有10−4∼10−3医学博士,由于沉积环境及地质变化,这是不利的对瓦斯抽放1]。针对单一煤层开采或第一个开采煤层保护煤层煤层组,液压渗透率改善和深孔预裂爆破的主要是付诸实践提高渗透率。液压渗透率改善方法包括水力压裂、水力冲孔、液压剪、液压钻井,和高压脉冲水射流2- - - - - -6]。丰富的理论和实验研究进行了获得很多成就。
最近,高压气体爆破断裂是开发成一个防爆的爆破方法。应力波的两个主要阶段和高压气体爆破中识别过程中行动的岩石断裂引起的炸药爆破,对裂纹扩展和岩石破碎。应力波的影响是产生初始裂纹,和高压气体将导致裂纹扩展(7- - - - - -9]。炸药的爆破机理和高压气体主要是不同应力波的峰值压力和持续时间10]。然而,造成的机械反应两种爆破模式可分为两个阶段:动态加载阶段导致粉碎区和裂纹腔和准静态加载阶段导致的增加和扩张现有的裂缝(11]。高压空气压缩机压缩的或物理变化(气相转换)。高压爆破墨盒安装到煤层,高压空气释放瞬间和扩展到周围介质工作由手动或电动操作机构(12- - - - - -14]。这种高压爆破断裂方法被用来提高块崩溃率和管理煤仓堵塞部分或煤仓15,16]。考虑在安全和高性能骨折,这种方法应用于提高煤层渗透率高气体爆炸,和更好的结果。为了研究高压气体爆破断裂的问题,建立了高压气体爆破裂纹实验系统;气体压力和气体体积的影响裂纹扩展的形态进行了研究;的p- - - - - -t压力曲线在爆破过程中随着时间的推移得到;和高压气体爆破裂纹的机理进行了分析。
2。实验方法和项目
2.1。实验系统
支持国家重点实验室的煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM16X03),建立了高压气体爆破裂纹实验系统,如图1。系统由5部分,包括供气系统、存储系统、控制系统、爆破系统和测试系统。气体供应系统是用来供应高压空气,由氮钢瓶,空气压缩机,和气体增压泵;氮被当作原材料为安全考虑。存储系统包括高压容器,和控制系统的主要设备是一个气动高压切断球阀控制空气路径。爆破系统由试验块和保护室,测试系统是用于检查空气压力变化的爆破的过程。
大多数中国的煤层地质构造运动的影响被认为有发展成复杂的和软的结构。煤炭身体的内部结构非常复杂,各向异性,这将对爆破测试结果有不确定的影响。的重复性实验证实了使用一个固定的比例相似模拟材料代替煤样例原位。实验块是由水泥、沙子和石膏混合根据一定的比例作为力量的要求基于力学参数(表1)12 #煤层大隆煤矿位于铁法煤田,如图2。立方的块的大小是150毫米×150毫米×150毫米。准备的过程包括类似的材料混合,铸造、融合,和维护。整个过程是在实验室环境中减少温度和湿度对物理和机械性能的影响。
释放管(图3),由特殊钢材,为爆破设计实验,和三行释放孔制造在其前端设计的方向和角度,导致高压氮释放当控制阀门开启。释放管设置成当浇注混凝土砌块样品的中心。为了更好的管与混凝土接触的影响,板条线焊接在释放管的外表面,和SHZ植筋锚固胶应用于把释放管和混凝土砌块。
(一)
(b)
2.2。测试程序
三个压力水平和三个容器设计进行爆破断裂实验和完全重叠形成9组测试。1 L, L 2和3 L船只被采用和5 MPa, 7.5 MPa,和10 MPa高压空气是应用,如表所示2。
实验样本放入保护室,和高压空气管道连接测试系统。设计的空气注入恒定体积高压容器。发射控制系统开始,爆破断裂实验是在气路进行检查。
混凝土块的图像及其骨折9组爆破测试后被抓获。试样的裂纹扩展模式,故障特征,和气体压力和气体体积的影响裂纹扩展的形态学研究根据横向和纵向比较和分析。
3所示。实验结果和分析
3.1。压力对裂纹扩展的影响
完整的弹塑性本构方程如下所示(17]: 与 在哪里通常的弹性常数,表示Jaumann应力变化率,叠加点代表分化时间,有效应力,孔隙体积分数(孔隙度),是米塞斯应力,是应力偏量,是二阶张量,单位应力张量,是宏观流体静应力,是应变硬化指数,屈服应力。
准静态扩展的元素可以推导出球形细胞研究德班和巴鲁克18- - - - - -21在厚壁范围的扩张。
圆孔扩张理论是基础理论通常采用的岩土材料的冲击载荷。其特点区域如图4(17]。压力足以导致球形腔扩张,空腔周围的混凝土将逐渐压实压实区。生成的压缩波弹性球面将遍布在体积弹性波速度,压缩波会形成弹性区或弹塑性区(18]。压缩波传播时,周向拉应力将生成。由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,裂缝将生成在压实区,形成开裂区。
图5显示了裂纹扩展的结果示例1 L船设计有不同的气体压力。气体压力5 MPa,设计中有一个主要的纵向裂缝在其表面沿钻孔和示例了。纵向裂缝形成,样本分成一半没有任何二次断裂表面。没有主要横向裂缝和次生裂缝观测的侧视图。设计了空气压力达到7.5 MPa时,很明显主要观察两个交叉裂缝在物体表面的纵向和横向。同时,两次生裂缝产生与横向主要表面裂纹在左视图,混凝土分开成4块。设计压力提高到10 MPa时,两个主要的裂缝产生和扩展到左侧和背面。在这种情况下,二次开发裂缝,部分块被打碎。
(一)
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(c)
的增加空气压力设计,主要块开始形成横向裂缝,这些裂缝转身分岔与辅助生产过程中裂缝的扩展。阻止了在裂纹的损伤破坏部分。分裂的程度和二次裂纹的数量在这个过程增加明显。裂纹破裂带进一步延伸,裂缝界面是弯曲和粗糙。当气体体积是2和3 L,相同的实验结果和增压过程中发生变化。
3.2。体积对裂纹扩展的影响
图6显示了裂纹扩展的结果示例10 MPa设计气压不同气体容器设计。当船1 L,纵向裂缝形成,样本分成一半许多反面的观点的二次骨折。横向裂缝也形成了与二次分叉裂纹生成在前视图和左视图。然而,没有裂纹出现在右侧视图,这意味着横向裂缝可以到达右侧形成贯通裂缝。
(一)
(b)
(c)
船2 L时,类似的纵向裂纹形成。但水平横向裂缝产生的左视图和一个小裂缝观察右侧视图,这说明主要的横向裂缝扩展的过程中,和不规则的裂纹表面被创建。
当空气船到达3 L,水平横向裂缝生成通过整个街区主要伴随明显的纵向裂缝和次生裂纹,形成交叉安排。
上述结论,在相同的空气压力,该船在裂纹扩展有很大的影响。横向裂缝主要从nonthrough裂纹贯通裂缝,和转向角较小的增加的船。插图,膨胀空气与空气增加船的能量增加,工作时间是扩展裂纹混凝土砌块。
空气压力是5 MPa时,只有一个纵向裂纹生成没有任何横向裂缝。但是横向裂缝产生的空气压力为7.5 MPa时,这意味着极大极小之间的横向裂缝代气压5 MPa和7.5 MPa。
3.3。参数分析裂纹的特征
裂纹的特征参数在每个测试组统计研究,主要包括主裂缝的数量,数量的次生裂缝,和破碎程度,如表所示3。
块的破损在气压的作用通常发生在钻孔区域,和裂缝为中心的钻孔来扩展整个块。不规则的裂纹表面显示明显肌腱断裂的性格。在该测试中,纵向裂纹主要是由物体的表面。随着气压的增加,横向主要裂纹开始形成和铅的生产二次裂纹。纵向主要裂纹优先由于nontriaxial实验条件。在密度的影响,块是免费的水平,裂纹会沿横向方向发展。在同一设计气体容器,气体压力越大,越块破碎。在相同的气体压力设计,主裂缝的数量变化不大的增加气体容器,但横向裂缝的数量增加,或二次裂缝降低了。
主要横向裂纹的长度增加,二次裂纹会克制导致有效应力波到达结束第一,然后,反射应力波传播裂纹,和钻孔周围的准静态应力场叠加的动态应力场形成的反射波。叠加过程增加了裂纹尖端的应力强度因子,从而促进主裂纹的传播和削弱传播其他方向的裂缝。
3.4。裂化气体压力变化特征的过程中高压气体爆破断裂
数据7和8显示pressure-time曲线(p- - - - - -t曲线)在不同的空气压力和气体容器设计。表4总结每个阶段,初始裂纹压力和破裂压力释放管。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
有三个阶段,在测试的过程中观察到的数据6和7气体的快速增长阶段,缓慢增加阶段,下降阶段。对应的高压气体测试块,也有三个阶段:喷射压紧阶段,初始裂缝阶段和破坏阶段。
如表所示4有相同的时间,快速提高阶段,无论该船有多大。这些样品5 MPa, 7.5 MPa, 10 MPa设计空气压力对应47女士,65 ms,和78 ms快速增长阶段,104 - 109 ms, 250 - 256 100 - 106 ms,女士在缓慢增加阶段。这是观察到的快速增长阶段和缓慢增加阶段将经历再设计气压较高,这说明工作持续时间和高气压会增加。
这些样品与5 MPa, 7.5 MPa, 10 MPa设计空气压力对应于2.3 - -2.5 MPa, 3.5 MPa,和4.4 - -4.5 MPa的初始破裂压力,无论该船有多大。可以看出初始裂缝压力将增加更高的设计压力。然而,类似的初始裂缝压力发生在不同的船只。
这些样品与5 MPa, 7.5 MPa, 10 MPa设计空气压力对应于3.5 - -3.8 MPa, 4.5 - -5.1 MPa,和6.6 - -7.4 MPa失败的压力,无论该船有多大。可以看出高设计气压导致破坏应力是影响船舶相同设计的空气压力。10 MPa设计空气压力为例;1 L, L 2和3 L设计船7.4 MPa, 6.9 MPa,失败和6.6 MPa的压力,这意味着需要更大的破坏应力与更大的船舶设计的。说明,相对气体压力可以打破在阻止气体流量较大。
冲击波粉碎洞周围的介质和变弱应力波在粉的形成区。应力波的径向压缩和打破了媒介外区,达到动态断裂强度,从而导致裂纹萌生和传播。压缩应力波的作用后,反射应力波在预制裂纹导致爆炸裂纹继续扩展,裂纹扩展中起着重要的作用。的静态能量扩张产生的高压气体爆破破岩的主要能源。应力波传播和狂浪阻抗在坚硬的岩石,和它的速度很高。岩石破裂主要取决于应力波作用。对于软岩与低波阻抗,应力波的传播性能差,和波的速度很低。岩石的失败主要取决于高压气体的膨胀压力。为岩石中波阻抗、应力波和爆轰气体中也扮演着重要的角色。
3.5。开裂的机理分析高压气体爆破
提供高压空气释放释放孔和空气动力和推力,打破了块。高压空气的功能块可以分为两个过程:喷气嵌入函数和静态扩张。有三个阶段测试过程中观察到的p- - - - - -t曲线,气体喷射压紧阶段,初始裂缝阶段和破坏阶段。
在气体喷射压紧阶段,空气压力迅速增加初始破裂压力。提供的高压空气射流冲击能量与扩张部分能量,所以明显的裂纹无法观察到。然而,应力波诱发和播放。空气压力提高初始破裂压力时,裂纹开始生成并到达裂纹阶段与空气压力增加。在这个阶段,空气压力持续增加,峰值骨折。在会议上反射波之前,初始裂纹传播在高压气体准静态的功能状态。会议反射波时,准静态应力场的叠加和动态应力场引起的进一步传播,直到整个断裂形成打破。破坏阶段,空气压力下降从高峰值1 MPa在几百毫秒,因为从内部裂纹扩展标本的表面。
4所示。结论
(1)在气体压力低的设计,实验主要块只产生一个纵向裂纹。随着气压的增加空气压力和船,除了形成一个主要纵向裂缝、横向裂缝主要是由4 - 6二次裂缝进一步扩大。在同一设计气体容器,气体压力越大,越块破碎。在相同的气体压力设计,主裂缝的数量变化不大的增加气体容器,但横向裂缝的数量增加,或二次裂缝降低了。(2)整个破解过程持续时间相同,无论该船有多大。快速增长阶段和缓慢增加阶段将经历更长的高气压而设计的。类似的初始裂缝压力发生在不同的船只。较高的初始破裂压力会增加设计压力。高设计气压导致破坏应力是影响船舶相同设计的空气压力。相对来说,气体压力可以打破在阻止气体流量较大。(3)在测试的过程中有三个阶段,即气体快速增长阶段,缓慢增加阶段,下降阶段。对应的高压气体测试块,也有三个阶段:喷射压紧阶段,初始裂缝阶段和破坏阶段。
数据可用性
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的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由美国国家科学基金会资助的中国(51874297和51874297号),国家重点实验室煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM16X03),中国学术委员会(201806425031),和优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)。我们感谢马问:援助的实验和w·歌有价值的讨论。