爆炸应力波作用下岩石破坏数值分析

为了研究爆炸应力波对岩石的破坏机理,以柱状装药条件下,现场爆破测试、动光弹和动云纹实验为基础,通过理论分析,提出了爆破漏斗半径的计算公式,并通过应用ANSYS/LS_DYNA数值模拟软件模拟柱状装药条件下爆破过程,对提出的理论进行验证,模拟得出,在相同的装药形式,不同的岩石动态抗拉强度条件下,岩石爆破漏斗半径数值模拟值与提出的理论计算值误差在10%以内;同一种岩石,在不同的装药长度条件下,岩石爆破漏斗半径数值模拟值与提出的理论计算值误差也在10%以内。     

煤体松动爆破裂隙区扩展范围及分布规律研究

针对煤层松动爆破裂隙区扩展范围的问题，采用理论分析和数值模拟的方法研究了耦合柱状装药条件下煤体松动爆破形成的裂隙区半径与煤体力学参数和炮眼半径的关系。研究结论认为（1）裂隙区半径除了与炮眼半径有关外，还与煤体的波阻抗、动泊松比、单向动态抗压屈服强度、单向动态抗拉屈服强度、单向动态抗压屈服强度与单向动态抗拉屈服强度的指数幂之比有关，并且对单向动态抗压强度和单向动态抗拉强度的指数幂的比值比较敏感；（2）采用不同的炮眼半径在同一种煤体中爆破时，裂隙区半径随着炮眼半径的增加成线性增长的趋势，并且裂隙区半径与炮眼半径之比基本为一常数；（3）采用同样的炮眼半径在不同的煤体中进行爆破时，裂隙区半径与炮眼半径之比随煤体强度增加而减小。研究结论对煤矿松动爆破施工的参数设计具有一定的参考意义。     

孔底间隔装药对台阶爆破地震的影响研究

采用数值模拟方法分析了孔底间隔装药对台阶爆破地震的影响,运用动力有限元方法建立了连续装药和孔底间隔装药的数值模拟模型。研究表明：孔底间隔装药减震作用明显,分析结果对于露天爆破工程中孔底间隔装药作业有一定的参考价值。     

土体爆炸压密的数值模拟研究

利用成本较低、可反复调整参数进行研究的数值模拟技术,运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序,选择合适的材料模型及参数,在48 mm×48 mm的方形炮孔中进行等效不耦合系数分别为2.000,1.714,1.500,1.333,1.200,1.091和1.000的7组土体爆破压密模拟试验,以获得爆炸应力、爆腔半径以及压密效果的数值模拟结果,同时与其室外试验结果比较。研究表明,爆炸应力主要以水平方向传播,在条形装药段中部爆炸应力最大,端部最小;爆腔半径随着药卷尺寸增大逐渐增大;压密效果随着药卷尺寸增大呈现先增大后减小的变化趋势;数值模拟结果和室外试验结果基本一致,表明数值模拟技术可以应用于实际工程。     

“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析

以义桥煤矿已开采“刀把”工作面与接续工作面之间形成的孤岛煤柱为研究对象，采用FLAC^3D数值模拟方法研究了采动影响下孤岛煤柱体内应力集中塑性区发育情况。结果表明：接续工作面推至孤岛煤柱时，在三侧应力叠加下煤柱应力高度集中并完全塑性破坏，煤柱易失稳且易诱发冲击地压；随工作面与孤岛煤柱南端距离增大，应力集中程度随之降低，煤柱稳定性逐渐增大，冲击危险性相应减小。     

顶板巷水力割缝钻孔间耦合关系数值模拟研究

为了确定顶板割缝后有效抽采半径，尽可能减少施工量，采用COMSOL数值模拟软件，研究了顶板巷水力割缝钻孔间相互耦合关系以及钻孔有效影响半径。从消突方面分析，由于钻孔之间相对位置较近，钻孔之间相互耦合作用较大，不同角度钻孔相互耦合作用下，在中间区域形成了椭圆状消突区域；钻孔间具有强烈的耦合效应，与单一钻孔相比，其影响半径提高了2.3倍；割缝钻孔的有效影响半径为7 m，能够满足抽采效果。该研究为实际工程设计提供了技术支持。     

地下矿山直眼掏槽爆破参数优化研究

针对凡口铅锌矿目前直眼掏槽钻孔数量多、凿岩效率低等问题,开展了直眼掏槽爆破参数优化研究。通过理论计算,确定了钻孔孔径以及装药孔与空孔间距的范围。运用LS-DYNA数值模拟软件对理论计算取值范围内不同孔径、装药孔与空孔间距等参数进行模拟研究,对各模拟方案下应力分布状态及关键单元的应力值进行分析。结果表明,空孔具有导向及应力集中作用,在装药孔及空孔孔径相同条件下,当孔径为0.051 m和0.058 m时,孔间距均应取0.30 m; 当孔径为0.064 m时,孔间距应取0.35 m。工程应用结果表明,这3种爆破参数方案均能达到预期爆破效果,综合爆破后矿石块度及凿岩效率,最终确定掏槽爆破参数为:孔径0.051 m,装药孔与空孔间距0.30 m。     

锚杆拱形托盘托锚力扩散效应及影响因素分析

拱形托盘是锚杆支护系统中的关键构件之一，其结构尺寸及强度直接影响锚杆支护效果。采用室内实验和数值模拟相结合的方法，研究分析了锚杆拱形托盘不同受载阶段托锚力在岩体内部的扩散演化规律；利用正交试验理论，分析了托锚力扩散演化对锚杆拱形托盘拱高和圆拱半径的敏感度。研究发现：托锚力经托盘传递至岩体，扩散形成“应力泡”式的次生应力场；若托锚力小于托盘承载强度，次生应力场范围随着托锚力的增加而增大，反之则减少；拱形托盘圆拱半径和拱高等因素对次生应力场范围具有显著性影响，但敏感性主次顺序为圆拱半径>拱高。     

顺层钻孔瓦斯抽采封孔长度的模拟研究

针对封孔位置及长度的确定问题,通过理论分析和数值模拟的方式,研究巷道周围煤岩体的应力分布,计算巷道塑性区半径和封孔长度的理论公式;通过FLAC~(3D)模拟得出巷道围岩应力分布图确定封孔长度,并与理论计算结果进行比较。结果表明,煤矿井下压裂钻孔的封孔段长度应超过巷道围岩破裂区且到达应力峰值的位置。以平沟煤矿为例,综合理论计算和数值模拟结果得出的合理封孔长度为8 m。     

大半径装药土中爆炸的数值模拟

为研究大半径装药在土中爆炸后的扩腔过程、压力变化、能量利用情况,应用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了大半径耦合、不耦合装药两种情况下的土中爆炸扩腔过程。利用其后处理软件分析了固定单元的位移、速度、能量及爆轰过程的压力变化等,分析了耦合、不耦合装药两种情况下的爆扩效果,并与理论计算进行对比。模拟结果与理论计算基本吻合,证明所建立的模型、采用的算法合理,同时得出对于破碎性爆破应采用耦合装药方式,对于光面爆破等成型控制爆破应采用不耦合装药方式的结论,该模型和结论可应用于工程爆破优化设计。     

沿空留巷切顶加固及预裂爆破技术施工优化

为提高狭窄作业空间下沿空留巷切顶加固及预裂爆破施工的效率,针对陈四楼煤矿21702运输巷设备布置、操作空间等条件,结合掘进期间顶板岩性及支护经验,确定切顶预裂加固支护参数、预裂爆破参数。在作业中研究并优化“导向钻杆+扩孔钻头”施工恒阻锚索工艺、“锚杆机+自制扩孔定向钻头”施工方法与专业切缝钻机平行作业、切缝钻孔工艺及装药结构,多元化解决不同岩性下切顶预裂爆破炮眼间距问题,可为相同地质条件及作业空间下的切顶加固及预裂爆破施工提供借鉴。     

应用钻屑法评价采掘工作面冲击地压危险性

为了做好小沟煤矿冲击地压防治工作，在该矿1190B8综采面运输巷、回风巷掘进过程中以及回采工作面开采过程中，应用钻屑法对该综采面运输巷掘进面、回风巷掘进面、回风巷地质构造变化带、回风巷煤柱应力集中区、回采工作面、运输巷支承压力区6个应力集中区进行了检测，使用钻屑量判定指标判定6个应力集中区冲击地压危险性，确定小沟煤矿1190B8综采面掘进工作面、回采工作面无冲击地压危险。根据1190B8综采面采掘工作面钻屑量测试结果，确定并分析该综采面6个应力集中区的应力集中度。     

基于LS-DYNA的贯通式潜孔锤反循环钻头强度的优化分析

通体花键式贯通式潜孔锤反循环钻头在实际施工中尾部较易损坏,影响反循环钻头的使用寿命。为提高反循环钻头的使用寿命,对反循环钻头尾部结构进行了优化设计,并采用非线性动力学仿真软件LS-DYNA对改进前后的反循环钻头进行了仿真分析。分析结果表明:由于在冲锤的高频冲击作用下,反循环钻头尾部易出现较大的局部应力集中,导致钻头体出现疲劳破坏;通过对钻头尾部结构设计优化后,与通体花键式反循环钻头相比,新结构钻头在无泄风槽情况下,应力集中值减小44%,在有泄风槽的情况下,应力集中值减小19%。数值模拟分析表明,优化后能大幅度提高钻头寿命。     

凸包型仿生耦合金刚石钻头模拟分析

研究发现仿生耦合钻头较普通钻头钻进时效提高很多。仿生耦合钻头一方面能使钻头唇面有较高的比压;另一方面能使钻头具有很好的冷却效果,因此在钻探工程中有很好的应用前景。应用数值模拟软件ansys,模拟分析了凸包型非光滑表面对金刚石钻头性能的影响。对比分析了4种不同非光滑度状况下,钻头在一定的钻压作用下在岩石表面产生滑动摩擦的过程。主要分析了该过程中岩层的等效应力、钻头底唇面的接触摩擦应力和接触压力的变化规律。研究发现,凸包型非光滑表面在一定程度上可以提高钻头的使用寿命和钻进效率。     

耦合装药特性对深孔预裂爆破应力波能量衰减的影响

针对利用深孔预裂爆破技术对低透气性煤层进行强化增透过程中爆生应力波能量弱、衰减快、信噪比低的现状,对爆破孔装药结构提出了改进方案,建立了耦合装药对爆破孔孔壁透射波能量和爆炸载荷影响特性的数值计算模型,利用Matlab编程技术对此数值计算模型进行了计算并获得解析解。在淮南矿业集团顾桥矿进行了爆生应力波能量受耦合装药系数ξ变化的影响特性的现场实验,对基于功率谱的能量分析法进行了改进,并利用此分析法对实验数据进行分析。数值计算和现场实验均表明:随ξ的增大应力波总能量反而减小;当ξ为1.5时,应力波信号在10~50 Hz频段的能量最强,且信噪比也最高。因而在爆破增透实施过程中应将耦合装药系数ξ设计为1.5左右,从而获得最佳的增透半径和增透效果。     

扩孔钻头在水平定向井中的应用

传统扩孔钻头在长距离水平定向井应用过程中出现泥包问题时,由于钻速变慢易造成钻进轨迹偏离原井眼,而且起钻时由于抽吸压力对井壁的作用易造成井壁压差坍塌,影响井下钻具仪器安全,增加辅助时间和钻井成本。为解决该问题,通过总结施工经验,结合数值模拟理论实验优化改进扩孔钻头,并在山西某井田煤层气水平井钻井工程项目中进行工业性试验,与传统扩孔钻头相比平均钻时减少38.9%,大大减少辅助操作时间,钻进效率提高的同时减少钻井成本。     

定向钻进技术在煤与瓦斯突出矿井中的试验研究

定向钻进技术是一种高效的区域瓦斯治理措施,可大幅节约施工成本、缩短施工周期,地质条件及钻进层位对定向钻进效果有直接影响,因此对定向钻进技术适用性的现场试验研究决定了该技术能否在施工现场成功运用。以平煤股份十一矿己_16-17-24070、己_16-17-24090工作面为试验地点,采用2种不同型号的定向钻机,分别沿煤层走向、倾向在顶板施工梳状定向分支孔,在平顶山矿区开展以孔代巷现场工业性试验,积极探索适用于平顶山矿区的新的瓦斯治理模式。依据VLD-1 000型千米定向钻机前期沿煤层走向的钻进效果,分析钻进效果不甚理想的原因;后期采用ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机,沿煤层倾向施工定向钻孔,取得了良好的钻进效果。以2种定向钻机的钻进效果为依据,平煤股份十一矿确定了施工定向钻孔的钻机类型及钻孔设计,初步形成了适用于平煤股份十一矿的新的瓦斯治理模式。     

青海八宝山地区小口径页岩气钻探技术研究

能源是现代社会发展的动脉。人类利用能源经历了高碳、中碳到低碳的过程，并将逐步发展到无碳时代。当今已进入了低碳能源时代，而天然气的利用是实现低碳能源的最佳选择。研究了青海八宝山地区小口径页岩气钻探技术，分析了钻孔分类、钻孔施工程序以及钻孔结构、钻具组合、钻进技术参数的选择、钻头选择、钻井液与护壁。研究为在其他矿区推广使用这一小口径页岩气参数井钻探技术奠定了基础。     

CMM2-20型液压钻车钻架静力学分析

CMM2-20型煤矿用全液压锚杆锚索钻车因其具备工作压力高、动力头输出扭矩大和回转速度无级可调等优点,被广泛应用于煤矿井下开采工作面中。但其钻架的可靠性一直是其工作中的薄弱环节。通过对CMM2-20型煤矿用全液压锚杆钻车的钻架进行进行静力学有限元分析,找到钻架在推进行程中应力集中最严重的位置,和相应的应力值大小,为CMM2-20型煤矿用全液压锚杆钻车的安全使用提供理论基础。