低渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究

针对低透气性煤层实施深孔预裂爆破过程中爆炸应力波和爆生气体作用下裂纹扩展范围和规律现场难以测量的问题,采用理论和数值模拟相结合的方法,对低渗透煤层进行单孔和双孔预裂爆破数值模拟,得到了不同爆破参数下应力、压力和单位质量塑性功等物理量动态变化规律和裂纹扩展范围,分析了深孔预裂爆破裂纹扩展规律和煤体在高温高压爆生气体及应力波作用下破坏区域的演化规律。炸药在煤体内爆炸的瞬间,产生的压力远大于煤体所能承受的动态抗压强度,煤体被破坏形成爆破空腔,当爆炸冲击波在孔壁上产生初始径向裂隙后,爆生气体楔入裂隙中使其继续扩展,在煤体内形成粉碎区、裂隙区、震动区,揭示了煤层在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。     

低透气性煤层双孔预裂爆破增透数值模拟

煤层深孔预裂爆破增透技术可以有效解决低透气性煤层瓦斯难抽采问题,通过研究不同爆破方法对煤体破坏范围的影响进而确定合理的爆孔半径对提高瓦斯抽采率具有重要的意义。以潞安矿区漳村煤矿3#煤层为研究对象,采用数值模拟的研究方法研究了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影响的范围。研究结果表明:单孔爆破模型应力波的传播特性以及爆破影响范围与双孔爆破模型存在明显差异,双孔爆破应力叠加破坏煤体的范围要远于单孔爆破对煤体的影响;通过钻孔间距为5 m、8 m和10 m的两孔连续起爆模拟结果比较,确定漳村煤矿3#煤层预裂爆破两爆破孔的合理间距为8 m。     

爆炸荷载作用下煤体裂纹扩展机理模型实验研究

为研究煤体在柱状装药爆炸荷载作用下裂纹扩展机理,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验。得到爆炸波在模型介质中传播的压力波形及模型表面加速度、应变、位移波形。描述模型在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;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。     

煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究

预裂爆破可以增加开采煤层的透气性系数,提高煤层瓦斯抽采率,为煤层的快速消突提供了一种有效的技术手段。为了考察不同影响因素条件下预裂爆破对煤层的增透效果,基于岩石力学、弹性波、爆破等相关理论,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA,数值模拟分析了不同装药量、孔间距等条件下的爆破煤体裂纹扩展及爆破应力的传播特征,得到了装药量、孔间距对预裂爆破增透效果的影响特征。研究结果表明:(1)爆破应力波以爆破点为起点,随着传播距离的扩大不断衰减,裂纹扩展与爆破应力波的传播方向一致,裂纹的分叉及其贯通具有一定的随机性。(2)预裂爆破存在一个最佳的装药量,装药量过大或过小均无法达到充分开裂煤体、增大透气性的目的。(3)控制孔对爆破应力在传播过程中具有减缓其衰减的作用,其减缓作用与孔间距有关,呈现随着孔间距的增加,其减缓作用先增大后减少的规律。研究成果对利用预裂爆破实现突出煤层卸压增透、快速消突具有一定的指导意义。     

最终边坡预裂爆破技术参数及应用效果分析

为了保证边坡稳定性及减小爆破振动效应,对大宝山矿区889～877 m平台最终边坡采用了深孔台阶爆破、缓冲爆破与预裂爆破相结合的技术方案。根据边坡预裂爆破中预裂缝的形成是爆炸应力波和髙压气体联合作用的分析结果,和889～877 m平台最终边坡的主爆孔、缓冲孔、预裂孔相关的爆破参数,进行了现场实验。结果表明:爆破实施后,889～877 m平台最终边坡的半孔率高达85%,不平整度较低,较好地保证了最终边坡的稳定性,并将爆破振动的影响控制在安全范围之内。     

基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破研究EI北大核心CSCD

针对岩巷中深孔掏槽爆破效果差的问题,设计了基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破方案。首先从理论上分析定向预裂对槽腔形成的影响,然后开展掏槽爆破数值模拟揭示槽腔岩体的破坏历程和破坏机制,最后通过现场试验探究其应用效果。结果显示:预裂孔中的切缝装药爆破后沿预裂孔连线会形成定向预裂面,定向预裂面具有自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应,能够促使槽腔岩体充分破坏以形成易于抛掷的岩块,且定向预裂面可以降低成腔阻力,有利于掏槽孔爆破成腔;数值模拟实现了槽腔岩体破坏过程的可视化,通过模拟结果证明了定向预裂面的自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应;相比于现有普通中深孔掏槽爆破技术,在岩巷中深孔爆破采用该掏槽技术时,平均循环进尺增加了0.29 m,平均炮孔利用率提高了11.6%,平均炸药单耗降低了0.19 kg/m^(3),平均雷管单耗降低了0.13发/m^(3),结果验证了此新型掏槽技术在岩巷中深孔爆破的适用性。     

最终边坡预裂爆破技术参数及应用效果分析

为了保证边坡稳定性及减小爆破振动效应,对大宝山矿区889～877 m平台最终边坡采用了深孔台阶爆破、缓冲爆破与预裂爆破相结合的技术方案。根据边坡预裂爆破中预裂缝的形成是爆炸应力波和髙压气体联合作用的分析结果,和889～877 m平台最终边坡的主爆孔、缓冲孔、预裂孔相关的爆破参数,进行了现场实验。结果表明:爆破实施后,889～877 m平台最终边坡的半孔率高达85%,不平整度较低,较好地保证了最终边坡的稳定性,并将爆破振动的影响控制在安全范围之内。     

导向孔对两爆破孔间成缝过程影响的数值模拟

在爆破中,控制裂纹扩展的方法之一是在装药孔之间开挖导向孔,促使裂纹的扩展贯通。炸药在爆炸时,产生的载荷包括爆炸应力波和爆生气体压力。基于这一认识,研发了爆破损伤的数值模拟系统,并对有机玻璃试样中两炮孔同时起爆时孔周裂纹的萌生、扩展过程进行模拟,探讨了无导向孔、有一个圆形导向孔和有一个带切割槽的导向孔3种情况下裂纹的扩展规律。数值模拟结果与室内试验结果相吻合,这一方面证实了在装药孔之间开挖带切割槽导向孔对控制裂纹扩展的有效性,同时也验证了该文提出的爆破损伤模型的可行性。     

综采工作面过断层深孔预裂爆破技术应用研究

为解决辛安矿907工作面开切孔揭露坚硬全岩断层导致采煤机截割困难的问题，采用深孔预裂爆破理论，分析了爆炸荷载对断层的破坏作用，并设计了钻孔直径、钻孔深度、装药量、封孔长度和安全振动控制等爆破参数。运用LS-DYNA软件，开展断层爆破参数数值模拟，计算结果显示，炸药爆炸作用的有效范围约为7 m×22 m×2.7 m,在作用区域内应力叠加的作用下，产生远大于岩石的动态抗拉强度的应力，使岩体破碎。根据模拟结果优化爆破参数，并进行现场试验。试验效果表明，爆破后钻孔壁产生了不同长度和宽度的裂缝，形成了裂缝集中区域，基本达到了深孔预裂爆破破碎岩石的目的。采用深孔预裂爆破技术过断层有效地改善了采煤机作业环境，减少了50%的采煤机截齿消耗。     

提高炮采面块煤率的预裂松动延时爆破技术

根据爆炸应力波理论和爆生气体准静态理论,分别计算出裂隙区半径、临界抵抗线,为爆破参数（孔距和孔深）的设计提供理论依据。针对陈四楼煤矿三个炮采工作面的实际情况,通过对提高炮采工作面块煤率的预裂松动延时爆破技术参数进行理论分析和现场实验,以优化爆破参数和控制爆破块度,确定了软煤体、片帮和破碎顶板条件下的合理爆破参数,块煤率提高了6%~10%,单产增加18.8%,炸药单耗降低了5%~10%,节约了生产成本,取得了良好的经济效益。     

煤矿深孔预裂爆破技术应用研究

为解决较厚坚硬煤层的瓦斯突出和回采率低的问题,采用深孔预裂爆破的方法增加其透气性,并利用煤层松动产生的局部应力突变增加落煤量。根据爆破理论计算了爆破参数,确定了爆炸作用的裂隙范围。实践表明,煤层瓦斯含量降低,提高了回采率,试验与理论基本一致。     

羊拉铜矿爆破漏斗实验

为了给高原矿山深孔爆破参数选择提供依据,以利文斯顿爆破漏斗理论为指导,在与采场岩性相近的穿脉巷道中进行单孔爆破、变孔距爆破和斜面台阶爆破漏斗实验,并对实验结果进行分析。得到小型爆破漏斗实验参数:最佳埋深0.68m,漏斗半径0.58m,炸药单耗1.78kg/m3,最小抵抗线0.70m。将其推算到深孔爆破中,得到深孔爆破参数:最大孔距1.8m,排距1.4m。工业实验进行验证,爆破效果较好,大块率明显降低,损失贫化率也得到了良好的控制。     

羊拉铜矿爆破漏斗实验

为了给高原矿山深孔爆破参数选择提供依据,以利文斯顿爆破漏斗理论为指导,在与采场岩性相近的穿脉巷道中进行单孔爆破、变孔距爆破和斜面台阶爆破漏斗实验,并对实验结果进行分析。得到小型爆破漏斗实验参数:最佳埋深0.68m,漏斗半径0.58m,炸药单耗1.78kg/m3,最小抵抗线0.70m。将其推算到深孔爆破中,得到深孔爆破参数:最大孔距1.8m,排距1.4m。工业实验进行验证,爆破效果较好,大块率明显降低,损失贫化率也得到了良好的控制。     

优化爆破参数提高块煤率的实验研究

为了控制黑岱沟露天矿煤层爆破中1.8m以上大块的产出率和10mm粒度以下煤的产率,提高优质煤的块煤率和产量,在分析煤岩爆破破碎机理及减少爆破药柱粉碎区途径的过程中,对爆破参数进行了优化,提出了将低密度铵油炸药应用于黑岱沟露天煤矿煤层爆破的方案。同时,对低密度铵油炸药和铵油炸药不同孔网参数、装药结构、填塞长度进行煤层爆破对比实验,分析了二者对块煤率、采掘效率及安全性的影响。结果表明:低密度铵油炸药能够实现炮孔内连续装药,其线装药密度低,有利于降低炸药单耗,爆炸能量传递更均匀,能有效减少末煤量,块煤率较铵油炸药提高了13.78%。确定了露天煤矿厚煤层爆破炸药单耗的最佳范围是0.176⁰.23kg/m3,可为露天煤矿煤层爆破设计提供依据。     

低透气性煤层松动爆破增透效应研究

松动爆破是防治瓦斯突出的有效措施。针对煤层透气性差,突出危险预测指标高的问题,采用松动爆破技术对煤层进行卸压增透。结合某矿工作面煤体和爆破参数,理论计算了爆破后裂隙圈范围,主要包括应力波作用和静压破坏作用两部分,分别为0.41 m和1.47 m;通过布置钻孔并观测瓦斯流量变化,裂隙圈范围与理论计算较为接近,略小于应力波和静压破坏两部分理论计算之和;在理论计算和现场观测的基础上,确定合理的钻孔间距为3 m。采煤工作面经卸压爆破后,突出预测指标S(钻屑量)和q(瓦斯涌出初速度)分别下降了16.7%和57.1%,有效降低了工作面突出危险性。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

复杂海况条件下水下深孔控制炸礁技术

上海洋山深水港炸礁工程所在水域水文条件复杂,水深、流急、风大、涌浪大,且水流无规则。爆破厚度达21m、施工水深25m,该工程是目前国内难度最大的炸礁工程。施工中采用了自升式炸礁平台船,工程中解决了水深、流急条件下的深孔爆破垂直钻孔的施工难度,克服了海水对爆破器材的压力及渗溶而引起的对炸药敏感度、爆速和猛度的不利影响;研究解决了施工中平台定位、钻孔、装药、微差控制爆破等技术难题。这些技术的解决,对于今后在类似复杂环境下的水下炸礁爆破工程有重要意义。     

安太堡矿赋存巷道端帮岩石松动爆破实践

随着安太堡露天矿南部端帮原煤提运口自西向东的移设,释放了旧口位置9号煤层和11号煤层的采掘空间,为了安全回收所释放的煤层原煤,需要对9号煤层顶板位置的岩石层实施深孔松动爆破。但因释放空间距离正在使用的原煤输运巷道较近、爆破施工难度较大,故提出了安太堡矿赋存巷道端帮岩石松动爆破方案。通过优化爆破起爆网路、调整装药结构、采用预裂爆破等综合爆破施工工艺,整体达到了岩石松动的目的,并将巷道垂直振动速度控制到了15cm/s以内,有效保护了正在使用的巷道。爆破实践表明:该方案直接为安太堡矿增加了15.2万m3原煤采出量,将巷道旧口位置的原煤采出率提高到了60.8%以上,具有较高的经济推广价值。本次爆破是巷道近距离爆破施工的一次实践,对巷道周边岩石松动爆破的设计和研究具有一定的参考价值。     

安太堡矿赋存巷道端帮岩石松动爆破实践

随着安太堡露天矿南部端帮原煤提运口自西向东的移设,释放了旧口位置9号煤层和11号煤层的采掘空间,为了安全回收所释放的煤层原煤,需要对9号煤层顶板位置的岩石层实施深孔松动爆破。但因释放空间距离正在使用的原煤输运巷道较近、爆破施工难度较大,故提出了安太堡矿赋存巷道端帮岩石松动爆破方案。通过优化爆破起爆网路、调整装药结构、采用预裂爆破等综合爆破施工工艺,整体达到了岩石松动的目的,并将巷道垂直振动速度控制到了15cm/s以内,有效保护了正在使用的巷道。爆破实践表明:该方案直接为安太堡矿增加了15.2万m3原煤采出量,将巷道旧口位置的原煤采出率提高到了60.8%以上,具有较高的经济推广价值。本次爆破是巷道近距离爆破施工的一次实践,对巷道周边岩石松动爆破的设计和研究具有一定的参考价值。