煤层深孔聚能爆破动力效应分析与应用

为研究煤层深孔聚能爆破致裂增透机理,构建聚能爆破分析模型,运用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨聚能爆破时聚能射流的成型机理、爆炸应力波的传播特点、煤体力学特征和裂隙扩展机理.结果表明:聚能槽集聚爆轰能量形成聚能射流并产生聚能效应,聚能效应显著改变了爆炸应力波的传播特性和煤体的力学性质,在聚能方向煤体所受压应力峰值是非聚能方向的1.10~1.29倍,有效地促进了裂隙的扩展;且主聚能方向煤体所受压应力峰值由次聚能方向的0.85倍增大到1.06倍,放缓了煤体所受应力的衰减速度.此外,煤层深孔聚能爆破工程应用实验表明,聚能爆破后抽采孔平均瓦斯含量是聚能爆破前的1.58倍,有效地提高了煤层透气性和瓦斯抽采率.      

地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透的作用

针对地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透问题，在分析钻孔围岩应力场、爆生裂隙扩展及动态卸载效应的基础上，对不同地应力条件下聚能爆破作用过程及裂隙发育特征进行了数值模拟，并通过在不同埋深下的聚能爆破现场试验，探讨了地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透的作用。结果表明:在高地应力煤层进行深孔聚能爆破时，地应力在煤层深孔聚能爆破裂隙扩展不同阶段的作用存在较大区别，在未进行聚能爆破时，钻孔围岩应力状态及形变特征由钻孔形态以及地应力共同决定。在聚能爆破作用初始阶段，由于聚能爆破对围岩产生的冲击作用明显强于地应力，因此爆生裂隙在初期的扩展方向主要由聚能装药结构控制，沿聚能槽开口方向形成定向裂隙；随着裂隙向四周扩展，爆破作用逐渐减弱，地应力作用逐渐显现，钻孔围岩在地应力作用下产生切向压应力，限制了爆破径向裂隙扩展。同时，与主应力方向不同的煤体裂隙在较强的剪应力作用下逐渐沿最大主应力方向偏转。当爆破作用产生的等效动态应力无法继续使煤体进一步压缩时，钻孔围岩内积聚的弹性应变能开始朝爆破中心方向释放，形成新的裂隙。此外，不同方向上的裂隙扩展范围受侧压系数控制，当垂直主应力一定时，随着侧压系数增大，最小主应力方向的裂隙范围进一步减小。      

双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理

针对双孔聚能爆破孔间煤层裂隙扩展贯通问题,基于对双孔爆破应力波叠加效应的分析,建立双孔聚能爆破数值分析模型,研究双孔同时起爆时应力波的传播特征、煤体的应力状态、煤体裂隙扩展贯通规律以及应力波叠加效应对裂隙扩展的影响。结果表明,应力波叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区,迫使部分径向裂隙转向,主导爆生裂隙空白带的形成;两爆破孔间的定向裂隙相互贯通后,爆生气体相互作用促进贯通区裂隙的扩展并贯穿空白带。同时,结合煤层深孔聚能爆破现场试验发现,在两爆破孔外侧,应力波叠加效应促进裂隙的扩展,该作用随着远离爆破孔呈先增加后减小之势;在两爆破孔之间,应力波叠加效应抑制部分区域裂隙的扩展,致使两爆破孔之间不同位置处煤层增透效果有起伏变化。      

装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响

针对装药结构对聚能爆破煤层增透的影响,在分析装药结构对爆炸应力波传播特性、爆破裂隙分区影响的基础上,基于平煤十矿己组煤层瓦斯地质条件设计了煤层深孔聚能爆破现场试验方案,通过现场试验探讨了装药结构对煤层深孔聚能爆破在水平方向和竖直方向上的影响.实验结果表明:装药结构影响煤层深孔聚能爆破增透效果,煤层深孔聚能爆破后,在水平方向爆破影响区内瓦斯抽采浓度平均增幅为52.78%;竖直方向上距离爆破孔相同距离的考察孔在爆破后,处于爆破孔上方的考察孔无炮烟逸出,处于下方的考察孔有炮烟逸出,证明偏心不耦合装药结构对爆破孔上方煤层影响小于对下方煤层影响,爆破孔上方爆破裂隙范围小于下方爆破裂隙范围.      

断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响

针对断层构造对煤层深孔聚能爆破增透效果和安全性的影响,本文在理论分析、数值模拟和现场试验研究基础上,分析了断层对爆破增透煤体裂隙生成和发育的影响,从瓦斯赋存和爆破能量传播探讨了断层对爆破安全性的影响.数值模拟结果验证了断层对爆破裂隙扩展和应力波传播的影响.现场试验表明,断层影响区爆破孔增透效果是未受断层影响区域的2.60倍,断层构造带容易造成冲孔现象,对爆破安全性有重要影响.      

煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨

在对煤层深孔聚能爆破致裂分区研究的基础上, 针对聚能爆破煤层裂隙扩展特征及范围进行了数值模拟研究.结果表明, 炮孔周围可划分为爆破压碎区、爆破裂隙区和弹性变形区, 根据裂隙类型及裂隙数目的差异, 爆破裂隙区又可划分为裂隙密集区和主裂隙扩展区.受聚能装药结构的影响, 压碎区的范围呈聚能罩开口方向小于其他方向的类椭圆状; 裂隙密集区和主裂隙扩展区的范围均呈聚能罩开口方向大于其他方向的类椭圆状.煤层深孔聚能爆破致裂增透工程试验发现, 随着远离炮孔, 各个观察孔内瓦斯体积分数增幅受聚能爆破的影响呈"强-中-弱"阶梯状变化, 与所构建的聚能爆破致裂分区模型比较一致, 即聚能爆破载荷下煤层裂隙具有明显的分区特征, 压碎区、裂隙密集区和主裂隙扩展区组成了煤层深孔聚能爆破的有效致裂范围.      

深孔聚能爆破煤层增透爆破参数研究

针对低透气煤层聚能爆破增透技术参数问题,在装药直径一定的条件下,设计了不同装药系数和爆破间距的爆破孔并进行现场试验,对比分析爆破前后爆破影响区瓦斯纯量变化,考察了爆破参数对煤层增透效果的影响.结果表明,通过控制爆破孔径向装药不耦合系数、轴向装药长度、封孔可靠性和爆破作用次数等因素可提高煤层增透效果.      

新桥硫铁矿凿岩爆破参数优化研究

本文通过数值模拟并利用室内模型试验研究,对新桥硫铁矿水平分层充填采矿爆破孔网参数的进行优化,确定合理的微差延期时间为25~50m s,梅花形布孔等爆破参数。认为目前在-270m中段E25采场二分层生产爆破的孔间距过小,造成矿岩爆破的平均炸药单耗过大。通过数值模拟及试验给出的建议平均炸药单耗比现用的降低了近50%,且孔间距比原来增大,使得钻孔工作量大大降低,极大地降低了生产成本。     

采用聚能爆破技术治理岩爆灾害的试验研究

岩爆是地下工程一大灾害,在应力集中的部位,采用爆破方法释放高地应力,可以有效降低岩爆灾害.聚能爆破具有用药量小、刻槽和成缝效果好的优点.结合锦屏二级水电站引水隧硐地下工程的岩爆问题,探讨了采用聚能爆破技术降低岩爆的可行性,并进行了浅孔和深孔聚能爆破的对比试验.研究表明,聚能爆破在高地应力条件下的成缝和刻槽效果较普通预裂...     

巷道压顶光面爆破裂隙扩展模拟及参数优化

为了优化爆破孔网参数,采用显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立光面爆破的炮孔爆破数值仿真模型,以压顶光面爆破孔网参数变量控制模拟爆破裂纹扩展。研究结果表明：巷道压顶光面爆破孔网中设置诱导控制孔,能够有效诱导爆生裂纹的定向扩展,有利于提高光面爆破的巷道壁光滑平整度;在压顶光面爆破中,诱导控制孔的应力时程曲线拉应力表现突出,有利于诱导裂隙的扩展演化,单元受压时诱导控制孔表现为卸压应力状态;以裂隙的演化扩展曲线为评价指标,在孔网参数中添加诱导控制孔,周边孔间距取900 mm时裂隙形成的巷道壁光滑整齐,可提高光面爆破在此类地质条件下的适应性;当光爆层的爆破孔网参数采用间隔布置诱导控制孔时,工程中爆破孔间距以900 mm左右为宜。     

多层煤-岩介质中扇形深孔爆破应力场特性

在大量现场实验基础上选择有代表意义的实际工程为背景,利用三维数值模拟方法,建立了较合理的煤-岩介质穿层爆破计算模型,获得不同位置抽放孔有效应力随时间的变化规律,分别探讨了各特定位置有效应力随距离增加而衰减的差异.计算结果表明:在计算模型条件下,复合介质孔口煤层和孔底煤层中爆破击穿范围分别为1.4和1.8 m;孔底由于受应力波的叠加和反射双重作用影响,在相同距离时孔底有效应力平均值较孔口大73%;煤-岩复合介质中煤层爆破效果优于单煤层爆破效果,在同等情况下,复合介质煤层中孔口处有效应力极值较单煤层增加17%～42%,孔底增加6%～24%.      

掏槽孔超深深度对爆破效果的影响

煤矿岩巷钻爆施工中,速度的关键在于掏槽.随着岩巷掘进工程量不断增大,虽然炮孔深度逐渐增大,但是掏槽孔超出普通孔的长度并没有改变,基本保持在200 mm及以下.针对掏槽孔超深与炮孔利用率这一问题,本文在超深系数η的基础上,引入裂隙区重合度φ的概念,利用数学建模方法,分析了不同超深深度爆破时的岩石应力状态,建立了超深深度及岩石碎胀系数之间的关系,并确定了掏槽槽腔主要参数的计算公式及取值范围,发现存在最优掏槽孔超深系数η和裂隙区重合度φ,使得炮眼利用率最高.利用LS-DYNA数值模拟分析了掏槽孔超深爆破时爆炸应力波的传播规律和孔底岩石的受力特征,并比较了200、300、400和500 mm不同超深深度的应力波强度变化特征并应用于岩巷掘进现场,对比了超深爆破方案和普通爆破方案的单循环进尺、炮孔利用率、眼痕率及大块率等爆破效果指标.结果表明,当超深深度为400 mm时,炸药爆破能量充分用于破岩,能量利用率最高,爆破后形成重叠的裂隙区,增大了后续爆破的自由面,提高了爆破破岩的效率,对岩巷钻爆法施工的参数优化有一定的指导意义.     

310 mm孔径微差爆破降振研究

为有效降低310 mm孔径爆破对边坡的振动损伤，开展微差爆破降振研究。运用数值软件构建逐孔起爆模型，开展不同延期工况的爆破模拟，对应力波传播、应力峰值和应力时间作用强度等特征进行分析。研究结果表明，对于台阶底部，同时增大或减小孔排间延期，应力时间作用增强；对于台阶中部和上部，减小孔间延期，应力时间作用减弱，而增大孔间延期且减小排间延期，应力时间作用增强；对于台阶后方，增大排间延期或减小孔间延期，应力时间作用减弱。基于数值模拟分析，现场试验时将最后一排的排间延期增大20 ms。通过最小二乘法对试验前后爆破测振数据回归分析，对比可知，延期优化后距爆区后方10 m处的振动峰值下降39%，后方20 m处的振动峰值下降22%，反映出了显著的减振效果。     

基于RHT模型双孔同时爆破均质岩体损伤的数值模拟

为探究双孔爆破时炮孔间距和额外自由面对爆破过程中爆破损伤的影响,基于RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）损伤本构建立了多组三维数值模型,利用模型损伤云图研究不同爆破条件下的岩石爆破过程,通过自定义变量—有效损伤率的变化探究炮孔周围岩石损伤的时空演化过程。结果表明：随着炮孔间距的增加,岩石有效损伤率逐渐递减,相同截面处的有效损伤率在炮孔间距最小的方案中最大,相邻炮孔间的爆破能量叠加作用随炮孔间距的增大而减弱,合适的炮孔间距可以获得更加理想的爆破效果;岩石有效损伤率随着自由面到炮孔中心处距离的增大而逐渐减小,爆破能量倾向于向自由面方向传播,额外自由面对爆破能量分布的影响随自由面与炮孔间距的增大而减弱。数值模拟结果对研究双孔爆破能量的传递法则具有一定的借鉴意义。     

节理发育岩体巷道掘进爆破数值模拟与应用研究

节理面、软弱夹层和断层等地质不连续面是影响巷道掘进爆破效果的重要因素。根据岩体中应力波的传播理论,以某煤矿轨道下山为工程背景,利用LS-DYNA软件对倾角为68°、宽度为3 cm的节理岩体巷道掘进掏槽爆破进行模拟分析,验证了理论分析中节理面对爆炸应力波传播的影响。结果表明：节理面破坏了岩体的整体性,其背爆侧岩石破碎较弱,而迎爆侧由于节理的反射作用岩体破碎加剧。提出了掏槽孔中心直眼采用孔内间隔延期装药结构和?35 mm的炸药以增加掏槽爆破能量,合理布置炮孔、减少节理面附近炮孔装药量,并辅以增加炮孔深度、提高堵塞长度和质量等措施,延长了爆炸能量作用时间,提高了爆破效率。现场应用取得了良好的效果。