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。     

底板岩巷穿层瓦斯抽采钻孔的优化布置

为了提高本煤层穿层钻孔的瓦斯抽采效果,采用COMSOL软件分别对阳泉矿区五矿8406工作面不同钻孔间距、钻孔直径、抽采负压条件下底板岩巷穿层钻孔的瓦斯抽采效果进行了数值模拟。结果表明:阳泉矿区五矿8406工作面穿层钻孔的合理布置间距为2~2.5m,并且钻孔间距对穿层钻孔的瓦斯抽采效果影响显著。研究结果为工程实践提供了理论参考依据。     

隧道揭煤水力割缝卸压增透技术数值模拟研究及应用

隧道穿越突出煤层相较于煤矿井工开采,具有开挖断面大、施工作业人员密集、工期压力大等特点,发生煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧甚至爆炸的危害程度也更高。本文采用理论分析结合数值模拟的方法对隧道穿越突出煤层过程中应力-渗流演化规律进行了研究,同时对比采用水力割缝措施和未采用防突措施情况下煤体抽采效果,并在四川攀大高速宝鼎2号隧道开展现场试验。数值模拟和现场试验结果表明,采用水力割缝技术措施后,割缝钻孔的单孔有效抽采距离是普通钻孔的4.75倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯流量是普通钻孔的4倍;煤层的瓦斯含量W值和钻屑解吸指标K_1值均降低至临界值以下,有效地起到防治煤与瓦斯突出的作用。     

连续脉冲冲击震动作用下煤层钻孔瓦斯抽采的试验研究

连续脉冲冲击震动可改变煤体中瓦斯的赋存状态,改善煤层的渗透性,提高瓦斯抽采效率。通过实验室模拟含瓦斯煤体,气体释放速度在连续脉冲冲击震动影响时间内提升30%以上。设计了一种适用于煤矿井下操作,瞬时能量可达60 k J能量的连续脉冲冲击震动装置,在已布置了6个"下向"辐射状穿层负压瓦斯抽采试验孔的煤层中进行试验,结果表明:监测的钻孔气体流量及浓度均有提高,实际瓦斯抽采效率提高了约56%,有效影响衰减时间约54 min。     

囊袋封孔器“两堵一注”带压封孔技术在耳海煤矿瓦斯抽采中的应用

瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患,因此对瓦斯进行综合治理尤为重要。目前应用较广,效果较好的技术是瓦斯预抽采措施,但是钻孔抽采浓度偏低,严重影响煤层瓦斯抽采效果。造成钻孔抽采浓度偏低的因素有很多,(1)钻孔卸压圈裂隙漏气(钻孔半径的5～10倍);(2)巷道卸压带裂隙漏气(巷道宽度的3～5倍);(3)煤层节理裂隙发育导流;(4)封孔充填不实漏气;(5)塌孔堵孔;(6)煤尘或水堵塞抽放管。     

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。     

不同装药模式爆破载荷作用下煤层裂隙扩展特征试验研究

 为了研究炸药在不同煤岩介质中爆破所产生的裂隙扩展和力学特征,提高深孔预裂爆破对低透气性煤层进行增透的效果,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计穿层钻孔和顺层钻孔2种不同的装药模式,以Froude 比例法建立煤层深孔预裂爆破的试验模型,利用相似材料配比加工制备尺寸为50 cm×50 cm×50 cm的试样进行爆破模拟试验。通过超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性。研究发现,裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的,裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直;在煤岩介质中实施穿层钻孔爆破的爆破效果优于顺层钻孔煤层爆破效果,当爆破应力波从煤层入射到岩层后,出现反射拉伸波,反作用于煤体上,加剧煤岩不同爆破介质的破坏程度,促使爆破裂隙的扩展。研究成果可用于指导井下低透气性煤层深孔预裂爆破装药方式的选择,以提高瓦斯抽采效率。     

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。     

“三软”煤层水力冲孔卸压增透技术研究

针对糯东煤矿"三软"高瓦斯低透气性煤层易流变、难抽采的问题,提出了底板巷道穿层水力冲孔卸压增透技术,并在糯东煤矿11702掘进工作面进行了现场试验。结果表明:冲孔后比冲孔前抽采瓦斯浓度上升3.4倍,瓦斯抽采流量增加4.4倍,炮掘工作面回风流中的瓦斯(体积分数)由冲孔前0.8%的超限预警状态变成冲孔后的0.4%的安全范围,水力冲孔技术应用效果显著,在糯东煤矿取得了良好的卸压增透效果。     

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。     

地下采场爆破炮孔堵塞效应及长度研究

为研究不同炮孔堵塞长度对采场爆破设计的影响,通过分析采场爆破炮孔堵塞效应,提出确定炮孔堵塞长度的条件;并对炮孔堵塞物的运动进行理论分析,结合所提出的条件推导出确定炮孔堵塞长度取值范围的函数模型,再将某工程实例相关参数代入函数模型,其中孔径120 mm,乳化炸药药条直径100 mm,采用连续装药,计算出孔底堵塞取值范围为l_w=0.7~1.3 m,孔口堵塞取值范围为l_h=0.9~1.6 m。同时利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立4种不同装药结构的双孔起爆模型对炮孔堵塞长度的装药方案进行对比分析,得到在一定堵塞长度范围内漏斗深度与堵塞长度成正比;并对关键位置上单元的有效应力峰值进行分析得到本文模拟条件下采场爆破最佳堵塞长度为孔口1.6 m,孔底1.1 m,与数值计算结果基本一致。     

瓦斯抽采钻孔双胶囊配合带压粘液封孔新技术

针对工作面煤巷扰动裂隙的客观存在,瓦斯抽采钻孔封孔质量难以满足钻孔密封检验要求、抽采瓦斯浓度和流量偏低等问题,提出了双胶囊配合带压粘液的封孔新技术,并双胶囊中间段采取了加长加粗的改进技术。其基本原理是采用高压胶囊封堵瓦斯气室同时配合低压胶囊封堵粘液,粘液封堵钻孔裂隙,实现抽采钻孔的彻底密封。通过理论分析,确定了合理的封孔工艺参数,并进行了现场工业性试验。结果表明,提出的双胶囊配合带压粘液封孔技术可增加封孔深度和提高封孔质量,使瓦斯抽采浓度提高40%~60%,平均瓦斯流量提高15 m³/min左右,且高浓度抽采周期可达两个月。     

露天矿山中深孔爆破边坡稳定性影响研究

为了分析露天矿山中深孔爆破对边坡稳定性影响机理,结合福建某小型露天矿山工程实际,在确定炸药及爆破孔网参数的基础上,引入降振技术并运用LS-DYNA有限元分析程序对中深孔爆破边坡影响情况进行数值模拟试验,得出了有指导意义的结论。     

孔排距对高台阶抛掷爆破效果影响的模型试验

为研究高台阶抛掷爆破中孔距、排距对抛掷爆破效果的影响规律,以黑岱沟露天煤矿抛掷爆破为原型,基于相似理论,展开高台阶抛掷爆破模型试验,并进行了超动态应力应变的测试与分析,得出:有效抛掷率E_p和最远抛距L_m随孔距的增加或排距的减小而增大,但当孔距增加到排距的1.45倍时E_p开始下降;排距减小到孔距的0.66倍时L_m开始减小;即当炮孔密集系数m满足1.4-1,卸载率为51 s^-1;拉应变的加载率为11 s^-1,卸载率为3.6 s^-1;结合现场爆破情况分析,砂浆材料拉伸破坏时,其拉应变峰值在160 με以上。     

大孔距小排距技术在中深孔爆破中的应用

为减少大块率和根底,提高爆破效果,山西桃园东义水泥有限公司石料生产线通过理论计算和现场试验,取得了大孔距小排距技术在中深孔爆破中的一些应用经验。当孔距为4.8m,排距为3.5m时,爆破效果良好。     

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。     

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。     

基于SPH粒子法的盲天井掏槽爆破数值模拟

针对上向盲天井掏槽孔爆破效果,运用补偿系数法对周边大空孔孔间距进行计算并进行方案制定,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH粒子法)进行数值模拟计算,开展盲天井掏槽爆破周边空孔作用以及补偿系数对爆腔及岩石损伤范围影响研究。研究结果表明:在孔间距一定时,爆腔面积随补偿系数增大呈增加趋势;当补偿系数达到2.42时爆破效果最佳且达到峰值0.54 m²,而后爆破效果作用达到极限,爆腔面积变化趋于稳定;岩石损伤范围因炸药作用效果有限,总体变化范围在10%以内;模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态、空孔填充情况以及岩石损伤范围。所得模拟结果与现场试验爆腔断面面积吻合度高,说明数值模拟计算具有一定的准确性。     

Study on plastic zone features around holes in underexcavation procedures for leaning buildings rectification and its applications

在建筑物水平掏土纠倾工程中，掏土孔间距是影响纠倾工程安全与工期的重要因素。为了快速准确地确定纠倾工程中的水平掏土孔间距，研究了单个掏土孔和多个掏土孔情况下孔周边土体塑性区发展特性。利用土体塑性力学分析计算得到了单孔下的孔周土塑性区半径，而后通过有限元模拟得到孔周土体塑性区半径的数值解，将孔周塑性区半径解析解与数值解进行了对比。并通过有限元数值模型研究了多个掏土孔相互影响情况下的塑性区发展规律，以孔间土体塑性区贯通时的距离作为掏土孔间距。考虑土体参数随机特性的影响，研究不同上部荷载作用下掏土孔间距的取值变化规律，上部面荷载与地基承载力特征值比值用p表示，孔间距与掏土孔直径比值用n表示。研究发现：多孔塑性区半径（孔间塑性区贯通时）是单孔塑性区半径的1.3倍左右;标准化荷载p与孔间距比值n二者呈线性关系;通过不同土体参数及上部荷载的不同情况下的p-n曲线，给出了掏土孔间距建议值。同时，将研究结果与三个实际工程进行对比，发现p-n曲线法与实际结果更为接近。