爆生气体致裂作用工程管理试验研究

1 绪论爆生气体是一种高能冲击体，在一般的工程爆破中，它的能量级相对于应力波所含的能量级差很多，一般在工业爆破设计中，相对考虑的较少。但是，它的衰减程度较应力波而言相对比较缓慢，而且在保证气密性的前提下，爆生气体可以沿着裂缝向前劈裂达到应力波完全劈裂不到的深度。如果充分控制这部分能量，可以让爆破设计更加精细，并提高工程爆破的安全性。1.1 研究背景和意义21 世纪以来，随着国内外大量基础设施建设，爆破技术飞速发展，特别是在公路铁路施工、采矿等领域，投入大量的炸药用于工业生产使用。精确的爆破技术不仅能提高工作效率，还能确保工程项目安全运行。而爆生气体致裂作用的深入研究，是为实现精准爆破不可或缺的。近年来，我国大力投资基础设施建设，在民建、铁路、公路、水利、市政等方面建设大力投资，而工程爆破在一些工程的施工技术上不可或缺，精准的施工爆破设计，可以有效确保工程施工安全以及人民生命财产安全。在国内，随着对工程的大力投资，工程爆破施工水平不断提高，工程施工经验丰富，能够有效通过工程实践经验来指导爆破设计施工。但是，我国爆破理论研究水平相对较为薄弱，与世界上先进的爆破技术水平还存在一定的差距。可以说，我国爆破工程施工实践水平是远远走在理论水平前面的。面对基础建设市场的激烈竞争，更高的要求不断提出，在爆破设计上，需要更加完整、精细的理论提供支持。而且现在爆破拆除的市场需求正在不断增大，需要更加完善的理论作为技术支撑，在爆破设计上，延迟毫秒、单孔装药量、爆破网路设计等技术较为成熟稳重且有基础理论进行支撑【1】。但是在炸药对物体的冲击过程中，物体实际受力、裂缝产生及扩展或者崩碎、飞射等过程仍然需要具体理论支持和研究。这样就能充分控制爆炸，从物体本身特性、炸药选择填装、设计延迟爆破等全方位控制，让爆破控制更加精确。..........1.2 爆生气体驱动裂缝扩展国内外研究进展国外在爆生气体驱动裂缝扩展理论研究方面较国内来说，发展起步要早，研究的要相对更深入，对最新的研究成果曝光度不是很高，其用于指导工程爆破设计，实现精准爆破上具有重要作用。对爆生气体的机理研究，最早是从上世纪 80 年代，Nilson 等【7】在采矿领域，通过爆破开采过程中，附属产生的高速气体冲击岩石裂缝，对裂缝的扩展驱动作用，进而对爆生气体进行研究。主要是从能量角度入手，在准静态理论基础上，研究高速气体对裂缝扩展驱动的影响。并且通过计算分析得出，爆生气体对裂缝的扩展具有重大影响。此后，国外学者开始了对爆生气体在裂缝驱动扩展问题上的理论分析研究，如 Paine.A.S 和 Please.C等【8】在准静态理论基础上，通过解析应力场和相应应力强度因子，对气体驱动裂缝扩展进行了理论分析。此外，国外在爆破方面的先进理论研究进展相对较为保密，但从国外的施工技术，如日本、德国、美国、俄罗斯等发达国家在爆破工程施工技术水平上较为先进，远远超出我国理论研究水平。在国内，开始研究爆生气体对裂缝驱动扩展影响的是在上世纪 90 年代，卢文波和陶振宇【9】，他们基于 Nilson 和 Paine 在准静态理论基础上的研究，通过解析应力场进行了自己的推导，并在裂纹扩展速度上进行了理论研究和探讨。为国内在爆生气体对裂缝驱动扩展的机理从解析角度分析打下了基础。在这同一时间段，李宁和 Swoboda G【10】对爆破过程中裂纹的扩展进行了数值模拟，为后来爆生气体对裂缝的驱动扩展的数值模拟提供了参考和借鉴。国内对爆生气体对岩石裂缝驱动扩展随着从国外的引进，伴随着石油开采技术的改进和煤矿采矿技术的改进进入了快速发展阶段。在上世纪 90 年代到本世纪初，在不少领域都对爆生气体驱动裂缝扩展进行了研究，其中在石油领域、采矿领域和工程施工领域尤为突出。..........2 爆生气体致裂作用试验设计爆生气体不仅在油、气、矿、煤等开采中发挥着举足轻重的作用，同时在工程开挖、拆除等方面也发挥着重要的作用。爆生气体在致裂、破碎、抛洒等作用的优势是有目共睹的。但由于其作用过程的短暂，其作用机理的研究举步维艰。尤其从理论上难得到突破。从试验方面着手研究其作用机理是理想的途径。在工程实际中，爆生气体的生成通常来源于火药（推进剂）的燃烧、或炸药的爆炸。在试验过程中若通过以上这两种情况获得爆生气体，则给试验过程带来太大的危险。因而迫不及待需要研发一种装置模拟爆生气体，用以研究其在致裂、破碎作用机理，从而可以进行爆生气体在各领域应用的优化设计。通过查阅文献，可知爆生气体属于高速运动的冲击体，伴随爆破、爆燃、高速冲击等现象产生，爆破、爆燃试验属于高危试验，受管制，且伴随产生的爆生气体不容易从该类现象中单独分离出来，这样就不容易得到爆生气体单独作用后的物理现象。因此，我们采用高速冲击或者替代高速冲击的方式来产生爆生气体，进行试验。2.1 试验装置设计与制作基于前人的研究，本文所做试验主要是基于陈莉静【29】发表的《油井岩层复合射孔爆燃气体压裂机理研究》学位论文中所作液压/气压冲击试件试验，总结液压冲击试件中，液体加速度过小达不到，以及气压冲击试验过程中气体不能瞬间冲击出来，对可控性进行了改进。基于爆生气体的基本特性，以及爆炸过程中爆生气体的突变性，拟用高压气体突然释放的过程来模拟爆生气体的冲击过程，这样可以避免高速冲击的冲击时间，让气压能够瞬间达到理想的高度，这样更加接近爆炸瞬间的气体加速度值。爆生气体装置初步设计，主要考虑了装置的可实施性、可控性和安全性。首先，需要产生高压气体，我们可以利用空气泵或者高压氮气瓶（氮气属于惰性气体，危害小），对一定体积的气体容器进行充气，通过阀门迅速弹开，由高压气体自由膨胀，让气体瞬间具备较大的加速度，通过管道加速，到达一定速度后冲击目标试件，对试件进行冲击破坏。其次，需要一定容积的储气缸，保证喷射气体量的充足性、可控性和试验冲击的安全性，确保试验过程的可监测性和可计算性，在这个定量储气缸内的气压值要能够测量。接着，需要设计和安装控制装置和数据采集系统。主要实时监测时间和气流量，用来推算实时气压值。最后，爆生气体生成装置的整套阀门，要求阀门具有能够承受一定的高压的能力。同时要求开关的打开速度可控（同时应具有快速弹开能力和慢速打开的能力），让气体在同一时刻往外喷射，更加能够模拟爆燃、爆炸或高速冲击瞬间产生高速冲击的气流，支持后续的试验工作。拟定装置中，在高压储气缸和气压泵之间设置一个高压气阀，在压力气缸和喷射口之间的导管处设置一个高压气阀。..........2.2 试验试件的设计与制作本文试验试件设计应满足以下几点基本要求：(1)试验试件制作的可操作性，满足试验试件的批量产出要求；(2)不同试验试件之间的差异性不宜过大，满足后期试验结果的对比分析；(3)试验试件应具有一定的稳定性，满足短期储存的需求。本次试验属于破坏性试验，因此需要保证每批次试件具有相近的性能，又鉴于试验的安全性能考虑，综合考虑后选取人工制作类砂岩试块进行冲击试验。为了模拟出岩石爆破时候的脆性破坏以及破坏后裂缝双壁面之间的颗粒摩擦能力，选取由沙子、重晶石、石膏粉以及蒸馏水制作的模型试样，其中石膏粉为胶结材料，不同级配的沙子是为了增加模型材料的颗粒之间的摩擦特性。同时，严格设计不同级配的沙子配合比是为了保证试件的一致性，重晶石是为了增加模型材料的容重。基于张平博士对模型材料的制作基础，本试验主要是对模型材料的尺寸、形状、预裂缝等进行试验适应性设计。在模型材料的配合比方面，依旧沿用博士论文中的配比，质量比为，重晶石：沙子：石膏粉：蒸馏水=20:40:23:17。其中配合中的沙子由粗细不用的两级清洁粒组（0.50~0.30mm,0.09~0.15mm）所组成，两组质量比为 6:4。选取试样配比后，在试块外型上进行了试验适应性改进，便于试验的顺利实施。本试验改进后的模型材料见图 2-5 和图 2-6，有无预裂缝的模型试件尺寸均一致，直径 6.18cm，高 12.36cm 的标准圆柱体。其中，中无预裂缝试件，在中间预留有 9.36cm 深，直径 0.7cm的孔；有预裂缝试件，在中间预留有9.36cm深，直径0.7cm的圆孔外，还在距离洞底1.16cm处设有两两垂直四面长 4cm，深 0.5cm，缝宽 0.1cm 的四条预裂缝，该预裂缝尺寸在陈莉静副教授论文中的公式推导计算结果【31】得出在瞬态压力冲击过程中具有一定影响。...........3 准静态加载试验结果分析.....193.1 有无预裂缝准静态加载试验结果分析............. 193.2 有无预裂缝准静态加载有限元分析....... 203.3 本章小结............284 瞬态加载试验结果分析.........294.1 预裂缝对试验结果的影响分析......294.2 压力峰值对试验结果的影响分析............324.3 加速管道长度对试验结果的影响分析............. 364.4 有限元计算对比分析............364.4.1 模态分析...........374.4.2 瞬态压力冲击分析.....374.5 本章小结............405 试验过程数值模拟与理论计算...... 415.1 试验过程理论计算分析........415.2 试验结果中裂缝形态和走向分析............475.3 爆生气体致裂作用研究工程应用............495.4 本章小结............515 试验过程数值模拟与理论计算在本章中，主要是为了解决试验结果与数值仿真模拟分析对比出现不一致的情况，采用理论计算对比分析的手段提出一个综合的结论，并解释实体试验以及有限元分析计算过程中遇到的相关问题。在瞬态压力冲击过程中，冲击在试件上的荷载分布状况与理论分析情况存在一定差异。在准静态加载试验和瞬态压力冲击试验过程中，不难发现：瞬态压力冲击时的压力峰值在 0.4MPa 时就可让试件发生贯通破坏，准静态加载需要达到 1.6MPa 时才可以让试件发生贯通破坏，然而一般情况下，类岩抵抗系数在 1.2~1.6 之间【47】，即瞬态压力峰值为准静态加载值得 1.2~1.6 倍，这个现象相对于理论分析较为反常；此外，管长从 2.66m 变为0.225m 时，依照牛顿第二定律，气体加速时间越长，冲击出来时速度会越快，试件破坏程度也相对越高，但是结果却恰恰相反。试验中出现的这两个问题，有限元分析的结论与常理相符，即瞬态压力冲击破坏的峰值压力大于准静态加载时才能让试件内部应力值大于 1.44MPa，试件才可能发生破坏。在瞬态压力冲击破坏后，依据破坏后的试件模型重新组合，观察到的裂缝形态和裂缝走向存在一定共性，不论破坏爆碎程度如何，均会在 4.5~7.5cm 之间产生一条贯通的横缝，产生 2~3 条纵缝，纵缝走向并非竖直的走向，在试件底部会产生一定的交汇现象。5.1 试验过程理论计算分析面对这两个问题，唯一的可能就是：在瞬态压力冲击试验过程中，冲击在试件上的荷载值不是简易的瞬态压力峰值，而是存在其它的产生瞬间冲击的现象发生。在查阅资料、咨询学者前辈等综合分析后，存在着一下几种可能：在瞬态压力冲击过程中，气体的加速以及喷射符合射流力学理论；瞬态压力冲击过程中，符合水锤理论，高速气体撞击到壁面后反弹回来与冲击过来的气体相撞，瞬间释放大量能量产生气击力，导致试件破坏；瞬态压力冲击过程中，主要是高速气体与试件内部气体速度不一致，来不及混合，使试件内部气体瞬间压缩，当压缩到极限现实时，瞬间反弹产生反弹爆发现象。本文在本章将主要依照这三种可能情况展开讨论和计算分析。

...........结论本文较为完整地实现了对爆生气体致裂作用的探索。其中包括：最初的资料查阅、试验目的选择与确定，装置的设计与制作、试件模型的选择与制作以及试验方案的设计，准静态加载、瞬态压力试验的进行与试验结果分析整理，试验结果、数值模拟结果和理论推导结果对比分析，综合结论对复合射孔技术的改进提议。在试验装置的设计与制作中：1）自主完整设计出一套满足试验基本要求的装置，为本次试验提供了基础设备的支持；2）在前人学者的类砂岩试验基础上，改进试件模型尺寸和结构，制作出便于试验的试件；3）设计了一套较为完整的试验方案。在准静态加载试验中，加载试验结果表明：1）预裂缝对试件完整性影响不明显，可能是因为预埋聚酯膜与试件体紧密贴合，避免了应力集中现象；2）试件在准静态试验中破坏峰值在 1.4~1.6MPa 之间。3）准静态加载有限元试验结果表明，预裂缝对试件完整性有一定影响。瞬态加载试验冲击结果表明：1）瞬态压力冲击峰值压力越大，冲击破坏程度越大；2）预设预裂缝的尺寸在瞬态压力冲击中对试件的破坏程度较为明显；3）瞬态冲击试验中，短管冲击破坏程度要大，表明加载速率越快，试件破坏程度越高；4）瞬态加载有限元计算结果与试验结果一致。同时，发现了几个试验现象：1）瞬态冲击破坏峰值小于准静态加载破坏值；2）一定条件下，存在一定的阈值，利于冲击气体驱动主裂缝扩展；3）瞬态压力冲击破坏过程中，裂缝的形态和走向有一定的共性。在试验结果、数值模拟结果和理论推导结果的对比分析过程中，较为完整地解释了瞬态压力冲过程中荷载值突增的原因。并且对瞬态压力冲击试验过程中，裂缝的走向和形态的共性问题，进行了相关解释说明。最后对实验装置以及试验数据检测采集系统提出了相关改进意见。在综合结论在实际工程的应用中，以石油钻井中的复合射孔技术为例。提出了计算理论的改进意见，以及在射孔技术中，二次爆燃技术的改进意见。..........参考文献（略）