SHPB试验技术在凿岩爆破工程教学中的应用_李祥龙.pdf

第 卷 第 期 年 月：试验技术在凿岩爆破工程教学中的应用李祥龙，张志平，王建国，侯得峰，张智宇，黄永辉，（昆明理工大学 国土资源工程学院；云南省中德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室；电力工程学院，昆明）摘 要：“凿岩爆破工程”课程是采矿专业实验教学的基础课程，对 设备结构、实验过程、原理进行了介绍，让学生更加了解 实验原理和岩石动力学参数的理论计算方法。通过借助 装置与“凿岩爆破工程”理论课程相结合的教学方式，锻炼学生们的实践能力、理论应用能力及科研探索能力，提高学生对科研的兴趣，为大学生推开科研之路的第一扇门。关键词：冲击荷载；实验；采矿工程；实验教学中图分类号：.；文献标志码：文章编号：（），（；，）：“”，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点项目（）；“兴滇英才支持计 划”项 目（）；云 南 省 基 础 研 究 计 划 面 上 项 目（）作者简介：李祥龙（），男，安徽淮北人，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为工程爆破。：通信作者：王建国（），男，河南信阳人，博士，副教授，主要研究领域为工程爆破。：引 言目前国内采矿、道路开挖以及地下深部工程的快速发展及爆破技术的多向应用，使得明确待开挖岩石的动态力学参数尤为重要。世纪初期 设计的一种直径 、长度不一的试验压杆，通过爆炸产生的爆轰波使较长的压杆被撞击，分析其长杆在受到外力冲击后，其应力波与时间段变化规律，试验结果显示物体压力变化主要受时间段影响。直到 世纪中叶经过 等加以改造和发展成如今的 试 验 压 杆，而 在 世 纪 年 代，等通过粘贴应变片来代替电容传感器，从而使 测试系统在测试及应力波信号方面产生了巨大的变革，逐渐被应用于研究岩石动力学特性。直到 世纪 年代国内才引进霍普金森冲击压杆试验系统（，），随后一些 第 期李祥龙，等：试验技术在凿岩爆破工程教学中的应用高校研制出可以对金属材料开展试验的拉伸杆，陶俊林等进一步对应变率和所施加的荷载进行细化分析，而目前无论是想得到应变率在 间，还是在 的岩石类材料及金属类材料的冲击动态力学特性，试验系统都是得到此参数的一种重要试验设备。在井下爆破施工中爆轰波对围岩的加载应变率大多集中在，因此，利用 试验压杆加载装置对岩石展开力学性能研究更能贴近井下爆破开挖过程中动载破岩的过程。而作为一名采矿专业的学生更应该熟练操作并运用 试验系统研究岩石动态力学物理性能，以达到理论与实践结合，实验与现场结合的目的。我校国土资源工程学院购置了 装置，建立了冲击动力学实验室，帮助学生深度了解实验原理及操作方法。探索理论课程教学与设备实验教学共同开展，丰富采矿专业“凿岩爆破工程”课程教学内容，锻炼学生的动手能力并充分发挥其自主能动性，提高学生创新和动手能力，为今后地学习和工作打下坚实的基础。的教学设计.教学目标通过 实验训练学生对岩石动力学特性和破坏规律的认识，以解决动力学性能测试和数据处理问题为目标。运用理论课堂上学习的岩石试件长径比设计、制备方法、岩石力学性能测试及数据分析等知识，让学生熟练掌握 试验的基本原理和操作步骤，加强“凿岩爆破工程”课程应力波理论基础的相关知识，直观展示各种岩石的应变率效应、损伤模式。使学生更加了解岩石的各项动力学参数，加强对动态冲击作用机理的理解，培养学生的综合能力和科研探索精神。.教学内容以 实验测试原理和方法为核心问题，对学生进行教学指导。带领学生进行岩石动态压缩性能实验教学方案设计，并根据方案设计进行冲击试验，在实验过程中开展教学工作，详细介绍研究岩石动态力学性能的常规手段及其在实际工程中的应用，并为同学讲解 实验原理和相关注意事项。从方案的制定到实验设备的调试，从实验规程的讲解到实践的操作，从理论知识的复习到实验数据的处理，让学生参与实验的全过程，结合理论知识与实验内容，从而实现理论联系实际、理论指导实验的目标。在实际授课过程中提出一些问题引发同学们地思考，并就相关问题做出具体回答，充分引导学生探索实验方法、原理以及数据处理等知识。实验内容及流程.实验仪器分离式 试验系统，由压杆（入射杆、透射杆）、充气腔、底座、试件箱、测试系统、仿锥形子弹等组成，压杆及子弹直径均为 的合金钢材料，杆件长度均为 ，其弹性模量为 ，子弹长度 ，合金钢材料密度 。分离式 试验系统如图 所示。图 常规单轴 试验设备实物图.实验原理整套试验系统运行是基于一维应力波假设理论、应力均匀假设，图 为 原理示意图。图 原理示意图 冲击试验时，通过粘贴在入射杆和透射杆件中央的电阻应变片记录试验数据，利用三波法计算出其相关的动力学参数。岩石试件在不同的冲击荷载下，其界面移动的位移量 及界面移动的位移量 可表示为：（）（）（）式中：为入射波应变；为杆的波速，为透射波应变；为反射波应变。根据岩石试件在冲击过程中，位移是连续的，则在界面、的移动速度（）、（）分别表示为：（）（）（）（）（）（）（）岩石试件在单位时间 内产生的平均应变率?（）可用下式表示：?（）（）（）（）（）（）（）式中，为岩石试件的高度。岩石试件在 时间内的应变：（）（）（）（）基于应力平衡原理，在试验过程中存在一堆相互第 卷作用力，即为作用力与反作用力，（）、（）分别是界面和处的应力大小，可表示为：（）（）（）（）（）（）式中：为岩石截面积；为压杆弹性模量；为压杆截面积。根据式（）、（），可求出试件的平均应力：（）（）（）（）（）（）（）根据式（）（）得到岩石损伤过程中（）、平均应变（）以及平均应变率?（），即三波法公式，即式（）、（）和（）。岩石 冲击动力学试验过程中，子弹的初始动能|（）式中：为子弹的质量密度，；为仿锥形子弹的直径，；为子弹的长度，；为弹头冲出杆腔的瞬时速度，。矿岩在冲击破坏试验过程中计算压杆的入射波能量（）、反射波能量（）、透射波能量（）的计算公式分别如下：（）（）（）（）（）（）|（）式中：为入射波应变；为透射波应变；为反射波应变。根据能量守恒定理，试件在破坏过程中其总耗散能（）可表示为（）（）（）（）（）试验过程中的总耗散能一部分用于使矿岩试件产生新裂纹或使原生裂纹加大直至导致试件破碎；另一部分如产生热能、辐射能等其他能量和破碎过程中碎块飞出的动能。由 等的研究结果得到动能 和吸收能 的比值 如下：.（）式中：为子弹速度，在常规单轴冲击试验中，经过计算得到 值大部分集中在 以内，说明试件的动能在耗散能中所占比例较小，绝大部分的入射能量用于使岩石试件发生不同程度的断裂破坏，则总耗散能 可以近似等于岩石试件吸收能。.实验课程流程（）介绍 实验设备组成、试验操作过程及注意事项。（）为学生讲解方案设计注意事项。（）为学生进行演示实验。检查实验设备的完好性：应变片黏贴、气源保证充足；将纺锤形子弹通过金属杆推到固定位置；将测速仪开启并测试，保持待测状态；检查应变片情况，并将示波器与 软件连接测试；空撞检查，应力调平；将试件两边涂抹凡士林，使用入射杆和透射杆进行夹制摆放，并保证冲击杆试件透射杆在同一轴线上；调节分压阀门，使指定大小气压氮气进入组合充气仓；确保人员远离操作台，打开阀门释放冲气仓气压推动子弹撞击入射杆，等待实验结束；试验结束，对子弹速度、原始电压波形进行保存并收集冲击后岩石。（）学生分组，每组学生挑选岩石试样并进行方案设计，培养学生自主能力。（）检验每组实验情况并适当抛出问题引起同学思考，调动学习积极性。（）课程结束后，对设备进行养护并打扫卫生。（）留取作业，让学生独立处理数据并绘制出应力应变曲线，得到相应岩石基本力学参数，并形成报告。实验培养学生能力通过“凿岩爆破工程”课程与 实验相结合的教学模式对采矿工程类学生进行培养，通过 教学平台可以有效提升学生的综合实践能力。（）实践能力。在传统教学中偏重于理论，对着书本进行教学，学生们也对着书本学习，不利于对冲击动力学实验形成一个全面立体的概念，新教学模式结合 装置对岩石进行冲击实验，学生可以实际参与实验流程：方案设计试件制备动态冲击实验数据分析，让学生在进行实验过程中由动手带动动脑，动脑指导动手，提高实践操作能力的同时更加深刻的了解动力学知识。（）协作能力。冲击力学实验室设备有限仅 台 实验设备，但本科学生人数较多，课程采用学生分组方式进行实验。将学生分成 或 组确保每个同学都能够动手实践的同时培养学生互相协作能力，提高学生自主学习性。（）理论应用能力。通过霍普金森压杆实验为学生详细的讲解应力波理论、测试原理、损伤机理和本构关系分析等知识，结合实验测试原理，对收集的数据进行分析。直观地了解应力应变曲线、应变率等概念，加强学生对理论知识的理解。使学生在实验课程中牢记理论知识，并能在实验中灵活运用，以达到理 第 期李祥龙，等：试验技术在凿岩爆破工程教学中的应用论与实践相结合的目的。（）科研思维。岩石的动态力学性能是采矿工程学生参与爆破技术设计时的必备基础，引导学生更好的理解岩石的损伤特征。让学生了解岩石基础力学性能对爆破工程设计的指导意义，拓展加轴围压岩石的动态压缩性能分析，引导学生思考三维冲击实验的基本原理。培养学生理论研究室内实验现场试验整体思维，培养科研头脑，提高科研能力。结 语岩石的动态力学实验是为巷道掘进爆破设计等提供基础力学参数的重要手段，目前国内课程多数局限于静态力学实验的讲解，为了使学生更好地理解岩石的动态力学性能，以 实验为平台开展动态力学教学是非常必要的。在教学过程中学生能够更直观地学习应力应变曲线、应力峰值、应变率等知识，调动学生学习积极性、促进和增强其实验参与性、培养理论和实践应用的整体思维等，为采矿工程学科凿岩爆破工程课程提供一条改革路线。参考文献（）：余同希 杆和 的故事 力学与实践，（）：夏开文，王 帅，徐颖，等 深部岩石动力学实验研究进展 岩石力学与工程学报，（）：陈 荣，卢芳云，林玉亮，等 分离式 压杆实验技术研究进展 力学进展，（）：，（）：，（）：陶俊林 实验中几个问题的讨论 西南科技大学学报，（）：李夕兵，宫凤强，周子龙，等 岩石类材料 实验中的几个关键问题第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 ：，：李夕兵，宫凤强 基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望 煤炭学报，（）：张文华，刘鹏宇，吕毓静 超高性能混凝土动态力学性能研究进展 材料导报，（）：陈 强，王志亮 分离式霍普金森压杆在岩石力学实验中的应用 实验室研究与探索，（）：王述红，张晓德，陈 猛，等 系统在岩体力学实验教学的应用和课程改革探索 实验技术与管理，（）：宋 力，胡时胜 数据处理中的二波法与三波法 爆炸与冲击，（）：，（）：张慧梅，陈世官，王 磊，等 扰动冲击下弱胶结红砂岩的能量耗散与分形特征 岩土工程学报，（）：，（）：（上接第 页），（）：沈钰瑞，李文钧，金伟杰，等 低信噪比环境下子带能熵比端点检测算法 计算技术与自动化，（）：刘 涛 骨传导鼾声检测系统的研究 长春：吉林大学，：沈侃文，李文钧，岳克强 融合 和 的支持向量机 鼾声识别 杭州电子科技大学学报（自然科学版），（）：蒋燕梅 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的鼾声声学特征研究 广州：华南理工大学，（）：王方丽，傅嘉俊 基于 的 语音分割算法的实现与应用 计算机与数字工程，（）：刘景天，姜囡 基于混合特征的说话人语音分割聚类研究 光电技术应用，（）：，：，（）：，？，（）：名人名言想像力比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想像力是科学研究的实在因素。爱因斯坦