爆炸荷载下岩体破裂影响因素研究

为研究岩体在爆炸荷载作用下裂纹扩展的影响因素,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对砂岩爆破裂纹扩展机理进行数值模拟,并考察地应力、自由面和节理等因素对爆破裂纹扩展的影响。结果表明:爆生气体与应力波联合作用下的裂隙区半径是应力波单独作用下裂隙区半径的1.85倍,爆生气体的存在使破岩过程更为有效;当侧压系数不变时,随着初始应力的增加,裂隙区扩展半径减小;自由面产生的反射拉伸应力波导致平行于自由面的裂纹产生;自由面与节理平行或垂直对爆破裂纹的分布有很大影响。研究成果可为中硬岩的爆破开挖工程提供参考。     

炮孔爆破中新的岩体断裂理论

本文提出了炮孔中非对称爆炸载荷(如极限偏心装药和特殊药卷)产生的“非对称效应”,分析了这种非对称载荷对无限岩体中炮孔周围裂隙的生成,扩展和最终分布的影响。研究得出:在偏心装药时,在装药与炮孔壁接触面上首先生成裂隙,预先生成的裂隙引起的稀疏波对孔壁上其它方向上的裂纹的生成与扩展有限制作用,这一制约遵循下列必要条件: 根据J一积分原理导出了计算裂隙产生所需时间的理论公式,计算结果与动光弹试验结果基本吻合。 最后,分析了切缝药包爆炸产生非对称载荷的机理,介绍了这项新技术在断裂控制中的应用效果。 本文所提出的关于炮孔爆破中新的岩体断裂理论以及所得出的初步结论对于爆破破岩机理的研究和指导工程实践都具有重要意义。     

软岩巷道爆破卸压机理分析

为了增强爆破卸压效果,运用岩石爆破内部作用理论,分析了软岩巷道爆破卸压的作用过程以及其影响因素,设计了爆破卸压效果现场测试系统.结果表明,爆破卸压具有硬化软岩、形成爆扩空腔和裂隙区,最终形成卸压区,并使高地应力转移到距巷帮R以远围岩深部的特征.适当加大炮孔直径、提高装药密度、选择爆速高的炸药,使炮孔间距满足L≥2R2,并尽可能减少炮孔深度,均可提高爆破卸压效果.     

核桃峪井田华池-洛河组水文地质条件评价

通过分析核桃峪井田所在区域内煤层上覆华池、洛河组巨厚层状砂岩孔隙裂隙承压水的补给、径流、排泄条件以及水文地质边界,研究了华池、洛河组承压含水层的水文地质特征,计算了因煤炭开采引起的冒落带及导水裂隙带的发育高度。结果表明该承压含水层厚度大、胶结性较差、承压性强、水文地质结构特殊,在一些节理裂隙发育的局部地段,富水性强,成为主要的导水通道,对井筒的开凿和煤炭开采影响较大,是构成矿井充水的主要含水岩组。     

超临界CO_2气爆煤体致裂规律模拟研究

为研究超临界二氧化碳气爆应力波和爆生气体致裂煤体的规律,通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴压力时程曲线,反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数,建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型,应用光滑粒子流体动力学方法对不同压力的超临界二氧化碳气爆煤体过程进行了模拟计算,揭示了粉碎区和裂隙区的破坏规律和形成机理,得到了气爆过程中爆破压力的分布.结果表明:煤体破坏形貌与实验结果一致;超临界二氧化碳气爆产生的冲击载荷超过爆孔周围煤体的动态抗压强度形成粉碎区,粉碎区外的介质在应力波作用下产生径向位移,形成环向拉应力,连同爆生气体的气楔作用使得环向拉应力超过煤体动态抗拉强度发生开裂形成裂隙区;裂隙扩展范围和密集程度与超临界二氧化碳气爆压力正相关.     

微波作用下深部砂岩单轴抗压强度弱化机理（英文）

传统的机械破岩方法劳动强度大、效率低,制约了深部资源和深部空间的开发。而微波技术作为一种新型破岩手段有望破解此类难题。本文从宏观到细观综合运用力学测试、细观试验以及数值模拟等手段探讨了微波场内埋深1050 m砂岩试样的破坏特征、弱化规律及破裂机制。研究表明,微波作用下砂岩单轴抗压强度会大幅降低,当1000 W功率作用60 s时,强度折减幅度可达50%;结合单轴和细观试验发现,矿物不均匀膨胀导致砂岩内部热应力增大的同时,高温环境下部分矿物会同步发生熔融,从而使试样内部孔裂隙结构发生急剧改变然后体现为强度的大幅下降;微波场内试样的中下部温度较高,高应力区出现在试样底部并沿轴向扩展。本文研究结果将为类似岩石破碎工程提供破岩理论依据与技术支撑。     

硬岩体强度弱化范围理论分析与工程验证

岩石巷道综合机械化快速掘进有助于改善采掘接续紧张的局面,而岩石硬度是影响综掘设备快速掘进的关键因素之一。针对硬岩巷道围岩岩性特点,利用超深孔预裂爆破技术,对硬岩巷道岩体强度进行弱化,并通过工程实践检验预裂效果,结果表明：硬岩巷道超深孔预裂爆破后,钻孔周围形成压碎区、裂隙区,使岩体有效强度降低,有利于综掘截割机具经济破岩;理论及数值模拟分析得出钻孔爆破后形成半径为1．8 m左右的松动破坏区;通过对新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷硬岩进行超深孔预裂爆破,钻孔窥视及工程验证爆破松动半径能够达到1．5～2．5 m之间,取得了良好的岩体强度弱化效果,为硬岩巷道机械化快速施工技术研究提供指导。     

我国地下工程爆破研究的又一部专著--评<地下工程爆破理论及应用>

中国矿业大学出版社 2 0 0 1年出版的安徽理工大学教授徐颖、宗琦新著《地下工程爆破理论及应用》,是一部重要的科研学术著作 .本书的研究内容和成果为矿山掘进爆破提供了重要的理论和技术依据 ,对矿山安全、快速、高效、优质生产有着重要的意义 .该书将已有的研究成果应用于冶金、铁道、公路及城市建设等爆破工程中 ,必将对我国经济建设和发展起到一定的促进作用 .本书从炸药爆炸的爆轰压力和爆炸应力波理论出发 ,论述了炸药爆炸对岩石的作用过程 ,运用爆炸力学理论系统论述了不同装药条件下的炸药爆轰压力和在爆炸载荷作用下裂隙岩体内裂…     

柱装药双炮孔岩石爆破模型试验

为了合理有效地利用爆炸能量,提高巷道、隧道工程的爆破掘进质量,以砂岩巷道(隧道)掘进中辅助孔、周边孔的岩石爆破为应用背景,通过柱装药双炮孔岩石爆破的模型实验,对装药结构、介质强度、炮孔间距、抵抗等因素对岩石爆破作用效果以及炸药单耗的影响进行了初步研究.试验结果表明,介质强度、不耦合系数、抵抗和炮孔间距与炸药单耗有着密切的关系,并相互作用、相互影响.空气介质对爆炸能量具有很好的缓冲和消耗作用,而水介质对爆炸能量的消耗作用随着介质强度的增大而减小.对于周边爆破,采用空气不耦合装药结构有利于减轻爆破对围岩的破坏作用;当介质强度大于35MPa时,采用水不耦合装药结构有利于提高爆炸能量的传递效率,降低炸药单耗.依据介质强度,合理选择不耦合系数、抵抗和炮孔间距,可在较小炸药单耗的情况下取得良好的爆破效果.     

复式楔形深孔掏槽爆破研究

掏槽爆破时随炮孔深度增加,岩石夹制作用增强,抛掷效果差,导致炮孔利用率降低,直接影响岩巷的掘进速度.采用数值方法对12孔复式楔形掏槽进行研究,揭示了应力波在槽腔内的传播规律,再现了炮孔底部槽腔的形成过程.研究发现采用双楔形毫秒延期爆破,炮孔底部形成2个应力峰值,有利于槽腔内岩体的破碎.同时中心孔的存在增强了破碎岩体的抛掷作用,提高了炮眼利用率.根据分析结果进行了孔深3m的现场爆破试验,10组爆破实验平均炮眼利用率为94.9%.     

爆炸载荷下不同形状巷道围岩破坏规律模型试验研究

采用动态焦散线试验方法,探究爆炸荷载作用下不同形状巷道周边围岩的破坏规律。试验结果表明,爆破荷载对临近巷道的影响与其形状有显著关系。在爆炸应力波作用下,巷道迎爆侧破坏明显。巷道左侧形成一条起始于炮孔中心而终止于巷道左壁的贯穿裂纹,大致沿水平方向;直墙拱形巷道左下角和矩形巷道左上、左下角形成起始于炮孔且有向这些部位扩展趋势的新裂纹。绕射应力波作用下,仅有矩形巷道背爆侧右下角出现一条扩展裂纹。以上现象说明弧形断面对应力波的卸载作用明显大于平面的。系列焦散斑图像记录了裂纹扩展过程,焦散斑大小代表裂纹尖端能量大小,裂纹扩展的过程就是能量积聚和释放的过程。     

高温高压CO2反应流动相变致裂机理

利用自主研制的气动力脉冲真三轴试验系统,开展了超临界CO₂热冲击致裂高强度混凝土块体试验,探究了热源功率、CO₂初始压力对热冲击破岩过程及裂隙损伤演化规律的影响,分析讨论了高温高压CO₂相变致裂过程及其裂纹扩展演化规律.充分考虑含能材料反应放热、CO₂相态变化、传热传质、瞬态非线性流动以及高压气体驱动损伤演化过程,建立了高温高压CO₂热冲击破岩的热-流-固-损伤(THMD)多场耦合模型,进一步分析了CO₂温度场、压力场以及损伤演化规律,揭示了高温高压CO₂反应流动相变致裂机理.研究结果表明：超临界CO₂热冲击致裂过程主要包括：高压气体瞬态释放产生应力波诱导型径向裂缝;相变膨胀的高温高压CO₂驱动径向优势裂缝扩展,并产生分支裂缝.其中气动力脉冲峰值压力和瞬时加载速率的增加有助于产生更多的径向裂缝,而CO₂初始压力和聚能剂含量的提高会使分支裂缝更容易形成.此外所建立模型的模...     

岩石爆破中断裂控制的研究

本文叙述了岩石爆破中利用“切缝药包”控制裂隙产生、扩展和止裂的断裂控制方法。将这种药包应用于现场所获得的良好效果证实了这一断裂控制的作用。运用WZDD-1型多火花式动态光弹性仪进行了模型试验,证明药包切缝方向炮孔壁不仅最先产生裂隙,而且所承受的爆轰波作用强度大于其它方向;同时获得了采用切缝药包时动态应力场、爆生裂隙产生、扩展及止裂过程的定性记录。文章对这一控制作用内在的作用机理、影响因素、参数设计及应用技术等问题从理论上进行了探讨,所得结论在理论上和实践中都具有一定的参考价值。文章还简要地评价了这种断裂控制方法,并对其应用前景作了预测。     

岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用

岩层采动裂隙分布的研究与水体下和承压水上采煤、卸压瓦斯抽放、离层区充填与开采沉陷控制等工程问题紧密相关，通过试验与理论分析，对岩层移动过程中的覆岩采动裂隙动态发育特征及其影响因素进行了深入研究，结果证明：覆岩关键层对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用．基于关键层破断前后采动裂隙动态发育特性与差异，提出了“覆岩离层分区隔离充填减沉法”和卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论，并分别应用于我国不迁村采煤试验和卸压煤层气开采实践。     

软岩巷道破裂特征与分阶段分区域控制研究

解决软岩巷道维护问题的关键在于准确把握该类巷道围岩内部裂隙发展演化规律和破裂特征.以某矿典型的软岩巷道为研究对象,实验研究了巷道围岩组份及微结构的特征;现场测试了巷道围岩内部破裂发展过程和规律,得到了典型软岩巷道围岩内部裂隙扩展贯通具有阶段性和非均匀性的破裂特征;根据巷道破裂发展的时间效应和区域特征,提出了分阶段、分区域控制的关键技术,包括:分阶段喷射混凝土、锚杆(索)强力支护、围岩注浆加固的过程控制和重点部位的加强支护技术.现场工程实践表明,针对软岩巷道破裂特征的分阶段控制技术可以有效控制软岩巷道的围岩变形破裂的发展,实现该类巷道的围岩稳定.     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

断层对盐岩储库流-固耦合及稳定性的影响

层状盐岩中天然气储库围岩存在节理裂隙或断层,可能会增大天然气渗漏的风险.为研究断层对盐岩天然气储库流-固耦合特性及稳定性的影响,建立了有断层的盐岩天然气储库数值模型,分析储库围岩的扩容、渗流深度、塑性区扩展范围和流变变形.结果表明,围岩断层附近围岩应力、应变集中和扩容现象明显,渗透率增大;在地应力和渗流压力(洞室天然气内压)共同作用下,断层岩体渗流深度、塑性区深度和变形均比其他部位大;加大天然气内压渗流深度增大,但可提高围岩稳定性.研究成果对遇断层盐岩储气库的设计和安全运行具有一定的指导作用.     

岩石断裂控制爆破的裂纹扩展

工程控制爆破,要研究岩石的定向断裂的裂纹扩展。本文在进行了动载荷作用下径向裂纹产生扩展过程的动光弹试验。对应力波的起裂作用,爆炸气体的扩裂作用进行了分析研究。文章指出,爆破岩石的应力历程及损伤累积是岩石破裂首要条件,而原裂纹存在条件影响裂纹扩展方向。探讨了爆破应力波作用下波激活裂纹数的分布规律和裂纹密度的表达式。     

顶板隔水层关键层耦合作用规律研究

在煤矿开采过程中，如果覆岩裂隙扩展至贯穿隔水层，则会诱发地下水或地表水大量涌向采场，导致煤矿淹井事故．利用RFPA^2D-Flow软件建立了隔水层关键层耦合的采场推进模型，计算并分析了裂隙场的发育和分布，绘制了顶板水渗流量曲线．讨论了与裂隙发育密切相关的覆岩支承压力与中间岩层厚度、关键层厚度及破断闻的关系．结果表明：关键层未破断时，中问岩层厚度对隔水层裂隙发育作用不明显；厚关键层对隔水层能起较好的保护作用．     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.