带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究

厚层坚硬顶板切顶卸压是优化沿空留巷围岩应力和结构有效途径之一,将导向孔应用到切顶卸压中是新的尝试。基于浅孔爆破沿空留巷切顶卸压机制,利用LS-DYNA数值模拟与理论分析相结合的方法,分析了导向孔作用机理,探究了参数选取对爆破效果的影响。研究结果表明:导向孔增加了自由面,对炮孔连线方向上的切向应力影响明显,提高了炮孔间裂隙贯通率和炸药能量利用率;装药孔不耦合系数取1.31时可充分发挥导向孔应力集中效应;最大切向拉应力与导向孔直径呈正变关系,但对远离导向孔的位置影响微小。根据岩石的动态抗拉强度,确定装药孔间距1.2 m。     

切槽定向断裂控制爆破的数值模拟研究

针对切槽定向断裂控制爆破进行了ABAQUS数值模拟研究,采用内聚力模型(CZM)成功模拟了爆生主裂纹的起裂和扩展过程。数值模拟结果表明,炸药起爆后,切槽炮孔在20μs时首先在切槽尖端产生损伤,在25μs时产生爆生裂纹,并在130μs时扩展至模型边界;炮孔切槽周围形成了较强的拉伸应力区,拉应力使爆生裂纹沿切槽方向优先起裂扩展,切槽方向的最大主拉应力峰值随时间呈先增大后减小的趋势;而在非切槽方向形成了压应力区,压应力的存在限制了非切槽方向裂纹的张开;切槽方向拉应力区形成的裂纹生长区和非切槽方向压应力区形成的裂纹抑制区的共同作用,使爆生裂纹沿切槽方向起裂、扩展,并最终形成断裂面。     

沿空留巷双向聚能爆破炮孔间距参数研究北大核心

为解决沿空留巷中选取合理炮孔间距难题,基于双向聚能爆破成缝机理,建立联孔聚能爆破力学模型,引入聚能管影响参数,分析爆破后岩石裂缝扩展长度,推导炮孔间距计算公式;并以邱集煤矿为工程背景,计算得合理炮孔间距为1.0 m;采用LS-DYNA软件对间距为0.8、1.0、1.2 m的双孔聚能爆破裂缝扩展过程进行模拟。结果表明:在距炮孔中心0.2 m处聚能方向岩石所受应力峰值是非聚能方向的2.6倍,炮孔连心线方向裂缝更易扩展;当炮孔间距为1.0 m时,两孔间裂缝完全贯通且炮孔连线中心无竖向裂缝产生。经邱集煤矿现场试验证明,采用间距为1.0 m的炮孔爆破切顶后,孔内形成连续裂缝,炮孔间裂缝贯通形成切缝面,与理论计算和数值模拟结果相符。     

深孔预裂爆破不同孔间距下裂隙演化规律

运用LS-DYNA对控制孔距离爆破孔不同间距的煤体进行深孔预裂爆破数值模拟,研究控制孔距爆破孔的远近对裂隙演化规律的影响,结果得出:受应力波与自由面反射效应的拉应力叠加作用,距离控制孔3 m的爆破孔周围能够形成10~13条的主裂纹,且其中存在的长裂纹甚至几乎贯通煤体,对煤体尖端应力强度好于4.5 m孔间距。通过试验区内将抽采孔瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量作为2项指标在距离爆破孔3 m和4.5 m范围内进行对比,得出孔间距3 m时比4.5 m时要明显增加,说明孔间距为3 m时增强了钻孔周围的卸压效应,证明试验区有效卸压半径为3~4.5 m,与数值模拟结果吻合。     

“空孔效应”对光面爆破效果的影响分析

采用半理论半数值模拟的方法分析了"空孔效应"对光面爆破效果的影响。理论方面,分析比较了普通光面爆破和带空孔的光面爆破两种方式下岩石中的应力场。数值模拟方面,以云南省某铁路隧道为工程背景,建立了两种方式下的三维数值模型,并进行了炮孔周围应力云图分析及相邻炮孔孔心连线1/2处位置单元破坏情况判断。分析结果表明:"空孔效应"使得炮孔附近的应力增大,且切向拉应力的极大值出现在孔心连线方向,有利于该部分岩石的拉开、脱离和抛掷。另外,在"空孔效应"作用下的拉伸破坏范围要明显大于普通光面爆破的拉伸破坏范围,有利于平滑轮廓面的形成。     

古城矿沿空留巷切顶卸压关键技术研究

为解决厚煤层沿空留巷切顶卸压后的巷道稳定性问题,以古城矿6 m煤厚N1305工作面作为工程实例,运用理论分析、数值模拟、现场实践结合的方法,分别研究预裂爆破孔间距、切顶高度及切顶角度3个重要参数对切顶留巷的影响。经力学计算和现场实践,爆破孔间距900 mm时贯通性效果最优。通过UDEC软件分别对不同切顶高度和角度的工况进行数值模拟,发现随着切顶高度的增加,充填体上方顶板应力和下沉量均先减小后稳定;随着切顶角度的增加,应力和下沉量均增大,得出最优切顶高度为21.8 m,角度为5°。将研究结果应用于煤矿现场,发现切顶后的留巷效果相对不切顶时效果较好,可为同类型的切顶留巷提供经验参考。     

聚能爆破切顶技术在沿空留巷中的应用探讨

为解决官地煤矿12605工作面巷道切顶卸压、围岩不稳定等问题,采用理论分析、数值模拟等手段确定聚能爆破切顶技术参数;采用炮孔深度6.0 m,间距1.0 m布置炮孔方案;确定沿空留巷加强支护方案。确保了沿空留巷的围岩稳定。     

刚果(金)某铜钴矿露天台阶爆破参数优化研究

基于对露天台阶爆破过程典型阶段分解,提出将炮孔间距从6m降低至5.5m的优化设计方案。分别建立原方案和优化设计方案的准二维动力学计算模型,利用Lsdyna动力学分析程序进行了计算与对比分析。结果表明:拉槽阶段中,优化设计方案的拉槽中心点的最大拉应力从原方案的31MPa提高37MPa,更有利于拉槽的产生和扩展;逐孔爆破阶段中,优化设计方案降低了两自由面的交角,促进了反射应力波充分叠加,炮孔与自由面交点连线的中点的最大拉应力,从原方案的24MPa,提高至35MPa,改善了破碎效果。现场试验结果表明,优化设计方案爆破的爆堆块度均匀,降低了大块率。优化设计方案已被应用于生产实践,并取得了良好爆破效果。     

高瓦斯低透气煤层松动爆破有效影响范围确定

利用ANSYS/LS-DYNA软件对松动爆破有效影响范围进行了计算机数值模拟,分别建立了爆破孔间距为5、6、7 m的爆破数值计算模型。通过对模拟结果分析得出：爆破应力波以爆源为中心向四周传播;应力波强度会随着传播距离的增加而不断衰减;在应力波传播的过程中,会发生应力叠加现象;爆破孔间距越大,叠加后应力强度在传播过程的衰减幅度就越小;通过数值模拟和现场检验,最终得出爆破孔间距为6 m时爆破效果最佳。     

切顶沿空留巷双向聚能爆破关键参数研究北大核心

通过理论分析与数值模拟相结合的方法,分析双向聚能爆破作用下岩石的定向断裂规律、不同间距下双孔聚能爆破的岩石裂纹扩展规律。结果表明:双向聚能爆破能有效的定向断裂顶板,双孔聚能爆破中,由于相邻炮孔的应力波叠加作用,促使裂纹进一步的扩展;炮孔间距500mm时,两炮孔间能形成良好的贯通裂纹。综合数值模拟结果、前人的研究成果、工作面的工程地质条件制定了现场的爆破试验方案,试验结果表明:4+4+3+3+2的单孔装药结构能够有效的预裂顶板;通过钻孔窥视显示间距500 mm时,顶板断裂效果最佳;对爆破切顶后工作面倾向不同位置处液压支架工作阻力进行观测,结果显示距离切顶线越近的支架最大工作阻力越小,验证了爆破参数的可行性。     

切顶留巷深孔预裂爆破炮孔间距数值模拟分析

为提高煤炭资源回收率,缓解采掘接替紧张,避免因留设煤柱产生的煤矿地质灾害,切顶留巷技术已成为煤矿煤炭开采的主要方法,为研究不同切顶炮孔间距对岩石顶板的爆破切顶的影响,利用有限元模拟软件LS-DYNA,建立有、无地应力双孔预裂爆破模型。依次设置炮孔间距为10、12、14、16倍炮孔直径,结合数值模型的有效应力云图、有效应力时程曲线和炮孔间裂纹扩展等结果综合分析选择最优的炮孔间距,并在现场进行试验。结果表明：地应力对炮孔裂纹有抑制作用;在地应力状态作用下,两炮孔裂纹贯穿距离为9～11倍炮孔直径效果最好,且对周围岩体的损伤较小,与现场钻孔窥视结果一致。     

薄煤层半煤岩巷道切顶卸压沿空掘巷技术研究及实践

针对煤炭资源回收率低的问题,文章以五里堠煤矿1102胶带顺槽为工程背景,采用留小煤柱切顶卸压沿空掘巷技术增加了煤炭回收率。采用理论分析和现场实测的研究方法,对薄煤层半煤岩巷道切顶卸压关键技术进行研究。研究结果表明：1）护巷小煤柱合理宽度为6m;2）切顶卸压炮孔深度及孔间距分别为9m和600mm;3）采用“锚网索+钢筋梯子梁”联合支护方案后1102胶带顺槽顶底板及两帮移近量最大值分别为382.54mm和238.15mm,围岩变形控制效果显著。     

钻孔卸压效果影响因素数值模拟研究

为了研究钻孔卸压效果影响因素之间的关系,采用RFPA数值模拟软件,分析了钻孔直径、钻孔间距、煤体应力等对卸压效果的影响。数值模拟及理论分析得出:在其他因素一定的条件下,卸压效果随钻孔直径的增大而提高;煤体中的压力越大,卸压效果越显著;煤体在高应力状态下(30 MPa),钻孔间距为3 m时卸压效果好,而在低应力状态下(20 MPa),钻孔间距为2 m时卸压效果好。     

大浞河铁矿进路间距优化设计

基于回采巷道长、岩体稳固性差、变形坍塌严重、维护费用高的特点,通过调大进路间距,减弱应力相互影响,对巷道起到一定的维护作用。理论计算大浞河进路之间不产生应力叠加间距为13.4m;数值模拟进路间距不同情况下的应力相互作用,以单条巷道围岩应力为基准,对比分析出最佳进路间距为13m。最后根据对比分析长炮孔施工困难状况,确定回采巷道间距为13m。     

浅埋大采高工作面顶板初次断裂爆破机理与力学分析

纳林庙二号井621-02工作面实施"等深炮孔"预裂爆破后,顶板垮落效果不理想,初次来压时产生巨大冲击波,工作面片帮严重,30~90号支架安全阀开启。针对此,对浅埋大采高工作面顶板预裂爆破机理进行断裂力学分析,提出了"阶梯炮孔"预裂爆破新方案,理论计算出爆破后基本顶初次断裂步距和合理炮孔间距,并利用有限元非线性动力学软件LS-DYNA对两种爆破方案进行数值模拟,对比分析爆破岩体的Mises应力演化规律,得知"阶梯炮孔"爆破效果更好。现场实践表明,621-03工作面采取"阶梯炮孔"爆破后,初次来压步距约为60 m,支架压力约为38.5MPa,比621-02工作面的初次来压步距(70 m)和来压强度(42.0 MPa)均显著减小,且未出现切顶、飓风等现象,实现了浅埋大采高工作面安全高效开采。     

中间起爆柱状药包爆炸应力应变场演化规律

结合动态焦散线、超动态应变测试和数值分析方法,对中间起爆柱状药包爆炸材料中的应力应变场以及爆生裂纹尖端局部应力场的演化规律进行了研究。3种分析方法得到的结论具有一致性。由焦散线方法可得,中间位置起爆柱状药包中垂线方向、端部垂线方向、端部轴向和端部倾斜方向主应力差值依次减小,各方向近炮孔圆孔处主应力差最大值分别为50.9,29.9,15.3和13.3 MPa,端部效应明显。由于爆炸应力波迅速衰减,圆孔处主应力差值差异随距离炮孔距离的增加逐渐减小。利用小圆孔可有效的对裂纹影响大小和影响范围进行测量,当爆生裂纹扩展到圆孔附近时,受爆生裂纹尖端局部应力场的影响,圆孔处焦散斑呈增大趋势,随着裂纹的不断扩展,其圆孔处焦散斑方向随之不断变化。由超动态应变测试方法可得:炮孔柱部由于应力波的叠加,垂直炮孔方向应变持续时间为40 μs,主要表现为压应变,炮孔端部轴向应变持续时间为10 μs,首先表现为压应变,随后转为拉应变并持续了较长时间。数值模拟得到了炮孔周围4个方向应力衰减的拟合曲线,弥补了实验方法不能测得炮孔近区应力应变场演化规律的缺陷。中间起爆柱状药包显著改善了沿炮孔轴线爆炸应力场的均匀程度,有利于岩石的破碎,从而提高炮眼利用率,减少岩石大块率。     

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。     

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。     

近距离煤层回采扰动下巷道分区段底鼓控制方法研究

针对近距离煤层开采过程中下伏煤层巷道底鼓问题,采用数值模拟与现场监测相结合的方法,对某矿近距离煤层巷道底鼓控制方法进行了研究。结果表明：随着上伏煤层工作面推进,下伏煤层巷道所受应力表现为先增加后减小特征,应力峰值出现在工作面距巷道15 m时,此时巷道最大垂直应力达28.5 MPa,巷道顶底板及两帮位移分别达195 mm、773 mm与135 mm,巷道底板变形最为严重。根据研究结论提出了巷道底板切槽卸压与“U型钢+反底拱”加强支护相结合的分区段底鼓控制方法,给出了合理的切槽卸压参数。现场实践表明,巷道底板切槽卸压段与加强支护段的底板最大垂直位移分别降低62.1%和58.1%,实现了近距离煤层巷道底鼓的有效控制。     

相邻炮孔爆生裂纹相互作用试验研究

为了研究爆炸载荷作用下的相邻炮孔间爆生裂纹相互作用机理,采用新型数字激光动态焦散线试验系统,通过改变炮孔间距,调整药包装药结构,研究了不同间距、不同装药结构下爆生裂纹相向扩展作用机理。结果表明:2炮孔均为普通药包时爆生裂纹随机分布,切缝药包与普通药包相互作用时前期爆生裂纹独立扩展,后期相互吸引互为自由面。2炮孔均为切缝药包相互作用时,炮孔间距较小情况下爆生裂纹在炮孔中心轴线方向贯穿呈“直线型”分布,间距较大时裂纹在炮孔中心轴线方向呈“牵手型”分布。随着炮孔间距增大,裂纹相遇时能量损耗较大,动态应力强度因子峰值和裂纹速度峰值较小,振幅较低,炮孔周围形成的粉碎区面积及次裂纹长度越小,分形维数也越小。