不耦合系数对煤层预裂爆破效果影响数值模拟研究

为研究煤层预裂爆破效果和装药量及控制孔布置之间的关系,以便设计最优爆破方案,提高瓦斯抽采率。利用数值模拟方法分别建立不同装药直径和不同孔间距下的长柱状药包爆破数值计算模型。模拟实验研究结果表明:不耦合装药系数约为1. 2(装药直径63 mm)时,此时爆破形成的裂纹从裂纹条数、裂隙区的密集程度及裂隙发育程度上都优于其他装药形式;当采用直径63 mm药卷、孔间距为3. 5 m时,会生成贯通控制孔发育良好且不会造成塌孔现象的裂隙,这将大大提高煤层通透性,有利于提高煤矿生产效率。     

穿层爆破各煤层动态应力分布与抽放效果探讨

穿层深孔爆破在石门揭煤及局部地段防止瓦斯突出有重要作用,由于爆破区域跨越多层煤、岩介质以及扇形布孔造成孔口孔底最小抵抗线不相等因素影响,穿层深孔爆破研究较为困难。在大量矿井试验基础上,利用三维数值模拟方法,研究有代表意义的穿层深孔爆破相关理论问题。建立穿层爆破计算模型,获得不同位置抽放孔有效应力随时间变化规律;探讨各抽放孔有效应力随距炮孔水平距离增加而衰减,以及不同抽放孔轴线方向两层煤中应力分布的差异。计算结果表明:复合介质孔口、孔底煤层中爆破裂隙贯通范围分别为1.4,1.8 m;孔底由于锥形波的叠加和应力波反射双重作用影响,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,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%。现场实践表明,当作用在抽放孔轴线的平均有效应力由7.12 MPa增到12 MPa后,瓦斯抽放总量增加3倍以上。     

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.     

基于LS-DYNA的预裂爆破硬夹矸弱化技术研究

基于预裂爆破对含硬夹矸特厚煤层综放开采顶煤冒放性的重要作用,建立了夹矸破断的非均布载荷悬臂梁力学模型,得出了夹矸层位、厚度对悬臂梁破断的力学作用机理。同时,结合金庄矿含硬夹矸特厚煤层实际条件,采用柱状空腔膨胀理论对爆破产生的破碎区、裂隙区及弹性震动区分别进行了计算分析。在此基础上,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件,对柱状炸药与孔壁间是否耦合的装药方式、炮孔与硬夹矸的不同相对位置及四种炮孔布置与起爆方式条件下的爆炸应力波传播规律和爆破能量的衰减特性等进行了数值模拟研究,得到顶煤深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优爆破方案。结果表明:该矿夹矸平均悬臂距l为6.5 m,硬夹矸内单孔有效破坏直径为6.2 m,不耦合装药、炮孔布置于夹矸层内、按排布孔延时起爆是深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优方案。     

深孔爆破在综放开采坚硬顶煤预先弱化和瓦斯抽采中的应用

为解决坚硬特厚高瓦斯煤层采用综采放顶煤方法开采时,坚硬顶煤在矿山压力的作用下破坏不充分,从而造成煤炭资源的回采率低,同时使工作面呈现强烈的矿压显现和瓦斯浓度大而严重威胁工作面的安全等问题,提出深孔爆破顶煤预先弱化和瓦斯预抽技术。通过顺层钻孔煤层深孔爆破数值模拟和理论研究相结合的方法,揭示深孔爆破预裂顶煤和抽采卸压瓦斯机理。药柱在坚硬顶煤中爆破,爆破孔周边的煤体受爆轰应力波的作用产生裂隙并发生大幅度位移,使爆破孔周围的应力重新分布,厚层顶煤垮落;同时,在炮孔周围形成爆破松动破碎圈,瓦斯解吸沿着裂隙流动,提高瓦斯抽采效率。最后,在水帘洞煤矿3801工作面进行超前深孔爆破顶煤预先弱化和瓦斯抽采的现场应用,对类似条件下高瓦斯坚硬顶煤综放工作面特厚煤层开采具有很好的借鉴意义。     

煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布置优化分析及应用

 为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采率低的难题,提出煤层底板预裂爆破卸压增透新技术,指出其增透过程分为爆破应力波与爆生气体共同作用形成裂隙贯通区和爆破空腔顶部煤岩体垮落形成卸压带2个阶段。借助数值模拟对不同孔距爆破应力波的动态演变规律进行研究,发现预裂爆破影响范围分为粉碎区和贯通区,其中粉碎区范围约为爆破孔直径的6倍,而贯通区的形成则主要受大直径控制孔反射形成的拉伸波作用,最终得到预裂爆破形成贯穿裂隙且保持与控制孔同高破坏区间的最优孔距为0.9 m,并将该技术应用于重庆–煤矿K4煤层底板巷预抽瓦斯工程。应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高2.8倍,瓦斯抽采浓度提高3.75倍,而且在爆破完成20～30 d后瓦斯抽采效果明显提高。     

深孔预裂控制爆破配合长钻孔抽放的应用

为了解决煤层透气性差、抽放效果不好的问题,提出了边抽边掘工作面深孔松动预裂爆破增透技术,并介绍了突出煤层掘进工作面瓦斯抽放方法试验,结果表明,抽放卸压瓦斯效果较为理想,大大减少了突出危险性,安全提高了煤巷单进。     

岩石炮孔预切槽爆破断裂成缝机理研究

应用岩石断裂力学理论和爆生气体膨胀准静压理论，建立了岩石中炮孔不偶合装药孔壁预切槽爆破时的脆性断裂力学模型，分析了裂缝的扩展规律，包括起裂、止裂条件、起裂方向、扩展长度和裂缝扩展过程中的速度变化等。此外，本文还就炮孔预切槽爆破时的动态效应进行了初步探讨。     

煤层深孔聚能爆破控制孔作用机制研究

为研究聚能爆破载荷下控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,通过理论分析与数值模拟,探讨控制孔对爆炸应力波传播特性、爆生主裂隙扩展规律、煤体单元的应力状态及其位移特征的影响。结果表明,聚能爆破过程中压缩应力波在控制孔处的反射迭加作用显著改变了孔壁周围和爆生主裂隙尖端的应力场,主导了爆生主裂隙的定向扩展和孔壁周围环向裂隙的形成;控制孔提供的位移补偿空间及孔壁的曲面特性增强了孔壁及周围煤质点的切向拉伸应力,促进了孔壁周围径向裂隙的发育与扩展;控制孔促使爆生主裂隙定向扩展与控制孔孔壁周围的径向裂隙和环向裂隙相互交织成一个庞大裂隙网。同时,开展煤层深孔聚能爆破现场试验,研究了有、无控制孔对煤层增透效果的影响,试验结果表明,控制孔能够大幅度提高煤层聚能爆破增透效果,前、后期试验有控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅分别是无控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅的1.78和2.48倍。     

松软煤层深孔预裂爆破力学特性的数值分析

 煤层深孔预裂爆破近年来在瓦斯抽放中运用日益增多,但目前对其爆破理论研究较少。以矿井现场实际使用的爆破、炸药和煤层参数为基础,利用三维数值模拟方法进行煤层预裂爆破机制研究。建立柱状药包爆破数值计算模型,研究煤体破坏单元的范围和受爆破应力波作用的抽放影响区域。研究结果表明,爆破粉碎范围最大接近40 cm,爆破对抽放量影响的作用半径不超过10 m,其中以4 m内变化最明显。探讨不同距离抽放孔有效应力传播特点,研究中首次考虑因导爆索与乳化炸药传爆速度不同造成的煤层中应力分布差异,澄清了认识上的误区。分析松软煤介质中不同距离抽放孔的位移场变化规律,计算结果与现场爆破前后实测的瓦斯抽放数据相吻合。研究结果对促进预裂爆破技术更好地运用于煤矿瓦斯治理是有益的。     

预裂爆破减震效果数值分析

运用LS-DYNA3D程序模拟分析了爆炸应力波与预裂缝的相互作用过程中,应力波通过预裂缝的传播过程以及衰减规律,得到了预裂爆破的降震规律,数值计算结果表明,具有足够宽度和深度的预裂缝具有明显的降震效果。     

液态CO2爆破煤层增透最优钻孔参数研究

 爆破钻孔参数的选取是消除爆破空白区域、提高爆破增透和瓦斯抽采效果的关键。监测液态CO2爆破过程中爆破器主管内高压气体压力时程曲线,研究液态CO2爆破煤层增透机制,并建立FLAC3D数值模型,研究结果表明：在水平层理上,单孔液态CO2爆破有效影响半径为出气孔方向6 m和出气孔法向4 m;控制孔明显增加多孔连续爆破裂隙区范围。采用数学计算和数值模拟2种方法确定多孔连续爆破最优钻孔参数为：爆破器间距5 m和爆破孔间距7.5 m。进行井下液态CO2爆破试验,爆破后煤层透气性系数提高17.49～22.76倍,瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采混量提高1.71倍。合理选取液态CO2爆破钻孔参数,为井下节约爆破成本和达到最佳爆破效果提供参考。     

深孔松动爆破防治煤与瓦斯突出的技术研究

为增加煤体的裂隙长度和范围,提高煤体的透气性,对煤体中进行的深孔松动控制爆破的成缝和防突机理以及爆破参数选择进行了分析研究,研究结果表明：深孔松动控制爆破能有效地增加围岩的松动区范围,增强岩体的透气性,对工作面前方煤体的泄压和瓦斯逸出具有良好的效果。     

爆破对矿井突出的影响分析

 用煤与瓦斯突出的“球壳失稳”理论对煤层中的爆破作用进行了分析, 证明爆破对煤层的突出危险性影响是比较小的。但在有坚硬岩层伴生的条件下, 爆破产生的振动容易导致破裂带中的煤体冒落, 使得那些有突出危险的软煤突然暴露, 引起突出。由此解释了突出矿井中出现的过煤门突出和爆破“门坎”时的突出现象。     

聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究

应用透射动焦散线试验研究爆炸裂纹定向断裂超动态破坏力学特征。试验结果表明,爆炸主裂纹断口特征为典型的拉伸断裂,爆炸裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度、扩展长度的变化趋势几乎相同,爆炸主裂纹主要在60～200μs完成,极限动态应力强度因子很少超过1.5MN/m3/2,爆炸裂纹止裂韧性约为0.3MN/m3/2。聚能药卷具有明显的爆轰波卸载效应和聚能方向爆生气体射流效应,高压爆生气体射流的"气楔效应"是聚能方向压缩径向裂纹进一步扩展的主要驱动力,同时抑制了非聚能方向压缩径向裂纹的发展。双孔点射流聚能药卷、双缝线射流聚能药卷都能实现岩石定向断裂爆破,形成良好的爆破断裂面,多缝线射流聚能药卷适用于高瓦斯煤层增透防突的深孔预裂爆破。     

含缺陷PMMA介质的定向断裂控制爆破试验研究

 以PMMA为试验材料,采用新型数字激光动态焦散线方法试验系统,从试验角度将裂纹缺陷和空孔缺陷纳入同一研究体系,进一步研究缺陷对定向断裂控制爆破裂纹扩展的影响。结果表明,缺陷形态对爆生主裂纹扩展长度的影响并不明显。爆生主裂纹的扩展分为2个阶段,I阶段(0～120 μs)：爆生主裂纹的扩展速度和尖端动态应力强度因子均迅速减小;II阶段(120 μs～止裂)：从缺陷处反射的应力波对裂纹尖端的作用效应逐渐明显,加强了裂纹尖端的能量积聚和应力集中,使得速度和动态应力强度因子均有较大程度的跃升;随着试件缺陷两侧曲率的增加,II阶段的爆生主裂纹速度峰值和动态应力强度因子峰值均逐渐减小。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

立井大直径中空孔直眼掏槽爆炸应力场数值模拟分析与应用

 为提高立井井筒坚硬岩石段掘进施工的爆破效率,设计在两阶同深桶形直眼掏槽中心布置一个直径100 mm的空孔。根据理论计算和工程实践经验选定掏槽爆破参数,一阶掏槽孔圈径1 700 mm、间距850 mm,二圈掏槽孔圈径2 500 mm、间距650 mm。运用有限元软件LS-DYNA对一阶掏槽孔爆破后的爆炸应力场进行数值模拟分析和爆破参数合理性验证。模拟结果表明：增加的中心大直径空孔能够提高爆炸应力波峰值和延长作用时间,空孔周围岩体中应力波峰值为无空孔时的2.2倍。同时,数值模拟还更直观地表现直眼掏槽时爆炸应力波在空孔处的应力叠加和反射拉伸现象、以及空孔具有的导向作用。在此基础上,进行立井坚硬岩石段掘进深孔爆破现场试验研究,取得在坚固性系数f = 12～17的岩石中平均炮眼利用率达91.7%、爆破块度均匀的良好效果。     

砂土-微风化岩复合地层地下连续墙成槽技术

针对砂土-微风化岩复合地层地下连续墙施工中微风化岩成槽困难的问题,提出了对微风化岩石爆破预处理的方法。采用微差毫秒爆破方法对微风化岩中地下连续墙边界及内部依次进行爆破,确保开挖面平整并控制冲击波能量对周围区域的影响。针对岩面以上为砂层地质易塌孔的问题,采用在岩面以上加钢套管的方式钻孔、成孔后下PVC管进行保护。与传统挖槽方法相比,深孔爆破法不仅破岩效果好,且大大缩短了工期。