直眼掏槽爆破中空孔应力集中效应数值模拟

利用有限元软件LS-DYNA3D程序,从数值模拟的角度出发,建立了直眼掏槽爆破的数值模型。模拟了无空孔和有空孔2种不同情况下直眼掏槽爆破的破岩过程以及应力状态;通过2组模型破岩过程的对比,得出了中空孔孔壁周围应力的分布规律;通过应力状态的分析,验证了中空孔应力集中效应的存在。模型试验得出的结果表明:直眼掏槽爆破在空孔壁激起的应力波,在传播过程中应力峰值随着距离的增大,呈现出一定规律衰减。在设有中空孔的直眼中,掏槽爆破应力分布有着显著的方向性且应力集中效应明显。     

大直径空孔直眼掏槽爆破效果的实验研究

直眼掏槽中空孔对掏槽具有重要影响,以大直径空孔直眼掏槽和小直径空孔直眼掏槽为研究对象,通过理论和数值模拟分析了大直径空孔直眼掏槽破岩机理,结合实验室实验分析不同直径空孔直眼掏槽的爆破效果。研究表明:空孔直径对直眼掏槽的爆破效果和爆破振动均产生重要影响,小直径空孔振动速度峰值、振动持续时间等参数均高于大直径空孔掏槽,大直径空孔比小直径空孔爆破振动速度降低20.6%;大直径空孔掏槽爆破掏槽深度提高20%,对掘进工作面的破坏范围减小30.8%;结合掏槽效果及爆破能量分析,大直径空孔直眼掏槽由于空孔提供的自由面较大,振动消耗炸药能量要小于小直径空孔掏槽,大部分能量用于掏槽区岩石的破坏,减少了爆破振动危害。     

空孔直径对有围压直眼掏槽爆破破碎效果的影响

掏槽爆破是井巷爆破掘进的关键技术，高围压对掏槽爆破效果有明显的抑制效果，而空孔对于提高掏槽爆破效率具有重要意义，但目前相关研究并不充分。为研究中空孔直径对围压作用下掏槽爆破破碎效果的影响，制作边长为600 mm、砂胶质量比为2∶1的立方体水泥砂浆试块，并通过电液伺服加载系统对试块施加双向等围压，进行直眼掏槽爆破水泥砂浆相似模型试验。对爆后爆破块度进行筛分统计分析，分析研究了不同中空孔直径下模型碎块块度分布、平均粒径，通过分形维数表征碎块分形特征，量化分析了碎块破碎程度。采用ANSYS/LS–DYNA软件基于试验模型参数建立了数值模型，分析了不同空孔直径时不同时刻的应力云图。研究结果表明：炮孔装药量分别为2 g和3 g时，中空孔直径为24 mm和16 mm的模型碎块分形维数最大，此时碎块粒径主要集中19～75 mm的中部区间，且此时碎块总质量最大，分别为3.128、3.615 kg，空孔直径不同时，空孔附近产生的应力集中效应与反射拉伸波效果不同，使得掏槽爆破破碎效果不同，适宜的空孔直径能够有效利用空孔效应，空孔附近应力波峰值和作用范围较大，应力波作用时间较长，因此破碎效果较好；空孔直径过...     

井巷掏槽爆破中空孔效应的理论与试验分析

通过对含空孔掏槽爆破作用的机理分析以及对掏槽爆破中空孔的作用进行研究,从理论上得出了空孔的应力集中效应,应力集中效应随空孔直径的增加而增加;并且空孔大有利于反射拉伸波的破岩之结论.提出了用槽腔面积、循环进尺以及单位槽腔体积形成时间3个指标来评价掏槽爆破的经济技术效果,并用这些指标对不同空孔孔径的掏槽方式进行了现场对比试验分析与评价,结果表明:适当加大空孔孔径是提高巷道爆破掘进循环进尺行之有效的方法.     

电子雷管在岩巷爆破中掏槽孔微差时间试验研究及数值模拟

为研究直眼掏槽爆破掏槽孔与辅助孔间延期时间对掏槽爆破效果的影响,通过电子雷管的模型试验对不同延期条件下的槽腔形成过程和特点进行了研究。试验采用高速摄影仪对试块槽腔的形成过程进行观测,并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对槽腔裂纹扩展进行了数值模拟分析。结果表明：① 在本模型试验条件下,延期时间为1~3 ms时掏槽孔与辅助孔之间的爆炸能量相互作用最紧密,并为辅助孔起爆提供了新自由面,降低了辅助孔起爆受到的夹制作用,爆破效果最佳。② 同时起爆时,相邻掏槽孔与辅助孔之间的岩体比掏槽孔包含的槽腔岩体破碎更充分。延期1 ms起爆时,掏槽孔与辅助孔之间的岩石受辅助孔爆炸冲击波作用瞬时移动速度达到最大,辅助孔起爆产生的裂隙范围也最大,掏槽效果最佳。③ 掏槽孔起爆超过1 ms后对槽腔岩体的影响逐渐消失,此时起爆辅助孔不利于掏槽孔与辅助孔之间爆炸能量相互叠加,降低了掏槽爆破效果。     

直眼掏槽空孔效应的计算模型改进与分析

为研究直眼掏槽时空孔周围岩体的破坏原理,准确计算空孔效应产生的集中应力值,对原有单空孔爆破时空孔效应的计算模型进行改进。改进模型考虑空孔布置区域和爆破应力方向的影响。采用弹性力学理论推导爆破应力作用下的空孔效应计算公式,并对改进模型进行分析与验证。分析与验证表明:空孔半径增大、空孔与炮孔间距减小时空孔效应越明显;空孔周围拉应力分布区域约为炮孔与空孔圆心连线处近空孔壁侧的±30°之间;孔壁处最大压应力出现在±70°左右处。与原有计算模型相比,改进后模型能更好反映实际爆破时的空孔效应。     

大直径中空眼在岩巷掘进中的应用

岩巷掘进速度的关键在于掏槽,随着对掘进进尺的提高,要求炮眼越来越深。针对现阶段直眼和楔形掏槽技术的特点,为了克服深孔掏槽爆破效果差的难题,引入了大直径中空眼直眼掏槽技术。通过大直径中空眼的作用,改变了掏槽眼爆破的能量释放顺序,同时大直径中空眼的预裂作用提高了掏槽孔的爆破效果。通过数值模型分析了大直径中空眼对周围岩体破碎和掏槽眼的作用。工程实践表明,大直径中空眼配合直眼掏槽,在爆破进尺、炮眼利用率等方面优于常规直眼掏槽技术,具有良好的适用性。     

中部间隔装药直眼掏槽爆破成腔过程数值模拟

运用三维非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA对中部间隔装药直眼掏槽爆破成腔过程进行数值模拟,并通过后处理软件LS-PrePost3.0对爆炸应力波的传播过程、不同时刻应力、变形情况进行了分析。模拟结果表明,空孔具有应力集中效应,对应力波的传播具有导向作用;爆炸应力波在岩石中以柱面波的形式向外传播;中部间隔装药的方式能扩大槽腔体积,减少炸药消耗,优化槽腔成形。整个数值模拟过程清晰地再现了该掏槽爆破岩石破碎、槽腔扩展过程,为预测掏槽爆破效果和优化爆破设计提供了依据。     

大直径深孔中空眼直眼掏槽爆破技术应用研究

为解决九里山矿高突出危险性煤层底板岩石抽采巷采用光面爆破掘进效率低的问题,以九里山矿16121底抽巷岩层赋存特征为地质背景,在直眼掏槽爆破理论分析的基础上,采用数值模拟的方法探讨了大直径掏槽对16121底抽巷围岩力学性质的影响,进而提出了大直径深孔中空眼直眼掏槽爆破提高巷道掘进效率的工艺技术,并进行了工业试验,研究结果表明:大直径深孔中空眼直眼掏槽技术对围压应力分布影响明显,工艺实施后中空眼周围出现了较大的拉应力,且随着远离中空眼距离的增加拉应力减小,最大应力出现在孔口周边,其值分布表现为围绕中空眼压应力呈环形递减变化规律,相邻掏槽眼间形成拉应力叠加破坏区,有效降低了围压的抗破坏能力;爆破进尺显著提高,由原来的1.6 m增加到2.2 m以上,掘进效率提高40%以上;同时,炮眼利用率由81%提高到89%;单位炸药消耗量明显下降,由2.3 kg/m~3降低至1.5 kg/m~3左右,有效降低了岩巷掘进的作业成本。     

切缝药包掏槽爆破研究与应用

切缝药包对爆炸能量具有极强的导向作用,将切缝药包引入到掏槽爆破,提出“先切后掏”的爆破思想。先采用切缝药包爆破将中心部分岩体与围岩分割开,克服爆炸初期自由面单一,围岩的夹制作用大等不利因素。在后续炮孔的爆炸作用下,将槽腔范围内岩体破碎,并抛掷出槽腔。进行了矩形切缝药包掏槽数值研究,结果表明：沿切缝方向能量得到了优先释放,沿切缝两炮孔中间的有效应力达到200 MPa以上,炮孔间裂纹形成贯穿。单独掏槽爆破炮孔利用率达到97.8%,全断面一次爆破平均炮眼利用率为96.9%,验证了切缝药包掏槽爆破的可行性。     

深井高应力大断面岩巷快速钻爆成套技术

 为克服深井高应力坚硬围岩条件下的巷道快速钻爆难题,以现代爆破理论、断裂力学、岩体力学为基础,提出一整套深部巷道坚硬围岩快速爆破技术,主要包括：新型定向断裂巷道轮廓成形控制技术、多向聚能装药高效破碎技术、双空孔复式直眼掏槽技术及适应高应力环境的不等抵抗线布孔技术。工程实践表明：该套技术的应用,大大减少了钻孔数量,提高了巷道成形效果和围岩稳定性,提高了炮眼利用率和岩石破碎质量,增加了循环进尺和掘进效率,并减少了支护和爆破材料消耗,实现了深井高应力全岩巷道的快速钻爆。     

束状孔爆破增强破岩作用机理研究

束状孔爆破是由数个密集平行炮孔同时起爆的一种爆破形式。通过数学模型构建及理论分析的方法,揭示束状孔爆破的增强破岩作用机理。研究了束状孔爆破粉碎圈范围对爆破效果的影响;根据束状孔爆破应力波作用时间、应力波叠加特点,与束状孔当量大孔(ELH)比较,分析束状孔爆破的诱导增强破岩作用、外部增强破岩作用及爆腔的形态转化等规律。束状孔爆破效应(BBE)是在适当束状孔炮孔间距条件下,束状孔爆破产生增强破岩作用的现象。束状孔爆破的增强破岩作用机理包括：产生炮孔的破碎联通、扩大爆腔、应力波叠加、增强诱导裂隙扩展、增强临空面剥离、增强对爆生气体的约束等作用。     

直眼掏槽效率敏感因子的理论与试验分析

建立了典型空孔直眼掏槽的力学模型，从理论上得出了影响空孔直眼掏槽效率的影响因子为岩石的抗拉强度、抗压强度、岩石初始密度、岩石中纵波的传播速度、炸药的性质、空孔半径、空孔到掏槽孔的距离、崩落孔与掏槽孔的起爆时差；选择了其中对工程有实际意义的4个参数进行27次正交试验.结果表明：影响掏槽效率的可调因子的敏感性从强到弱依次为空孔半径、起爆时差、炸药种类、崩落孔到掏槽孔的距离.     

空孔直眼掏槽微差起爆时间的力学模型及分析

工程实践表明, 微差起爆时间是影响掏槽效果的一个重要因素。掏槽孔装药爆破以后, 槽区内的破碎岩石与爆生气体混合并通过槽区口部向槽外抛掷, 工程上要求爆破结束时剩在槽腔内的岩石碎块越少越好。通过分析槽腔内岩石碎块的运动过程, 建立了掏槽爆破微差起爆延期时间计算的力学模型。应用模型对掏槽微差起爆时间进行的优化研究表明, 掏槽微差起爆时间与孔深成正比。     

中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研

分析了切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展机理,在切缝处应力集中和压力差共同作用下形成初始裂纹,而后的裂纹扩展经历了切向拉伸应力作用下的扩展阶段、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3个阶段。在理论分析的基础上结合工程实际,提出了切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术。现场应用效果表明：切缝管爆破可提高炮孔利用率和眼痕率,降低爆破对围岩的扰动损伤,改善掏槽爆破和周边爆破效果,有利于提高巷道掘进速度。     

爆破参数对预裂爆破裂纹扩展规律研究

预裂爆破是一种控制爆破,为保证预裂爆破的良好效果,需要对岩石裂纹扩展情况进行研究。通过数值模拟的方法,对孔距和不耦合系数等爆破参数对岩石双孔爆破裂纹扩展规律进行研究。研究发现：随着不耦合系数的增加,主裂隙的平均长度先增大后减小,孔壁所承受的冲击压力显著减小;双孔连线中点处的拉伸应力随孔间距的增大而降低。但是随着不耦合系数及孔距增大,双孔裂纹难以贯通,不能够达到预期的预裂效果。合理确定不耦合系数以及孔距,这对矿山爆破严格控制装药量,科学布置炮孔等采取合理的爆破参数精确的控制爆破效果具有重大意义。     

既有溶洞岩体爆破装药结构优化及数值模拟

为降低溶洞等不良地质条件对于台阶爆破作业的负面影响,基于既有溶洞露天爆破作业工况,运用 AUTODYN 数值仿真软件,建立二维有限元模型,针对孔身、孔底、孔间溶洞模型进行装药结构优化及仿真分析,重点对比 分析了不同模型岩体损伤、孔壁压力和飞石速度差异。 结果表明:对于孔身溶洞,相较于普通 PVC 管装药结构,采用 尼龙编织袋装药爆破可有效提高爆炸冲击波对孔壁的压力,降低大块率,改善岩体松动效果;孔底溶洞采用底部填塞 +上部装药外加台阶底部钻水平孔装药方式,可有效破除残留根底;对于贯通型孔间溶洞,采用底部装药+中间填塞+ 上部装药+顶部填塞的分段装药结构,并在前排钻辅助孔进行孔底装药,可有效改善岩体损伤破碎效果。     

提高龙首矿下向六角形进路式采矿爆破效率试验研究

龙首矿采矿方法为下向六角形进路式胶结充填采矿法，“低进尺、多循环”是多年来龙首矿进路回采的主要特征，爆破效率低。本文在对龙首矿岩体的可凿性和爆破性分级的基础上，设计了进路爆破掏槽方式，应用断裂力学理论确定了崩落孔和周边孔的布孔参数，采用大直径空孔直线掏槽全断面一次性崩矿方案。实践证明，在炸药单耗不增大的情况下，使六角形进路爆破的炮孔利用率达90％以上，单炮崩矿量平均达120t，爆破效率平均提高20％以上。     

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。