含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

为了丰富切槽爆破增透理论,以期为指导切槽爆破增透实践提供理论依据,采用理论分析、数值模拟、相似模拟试验的方法对切槽爆破在含控制孔情况下的裂隙扩展机制进行研究。研究表明:控制孔作用下的切槽爆破在切槽根部会产生抑制区,切槽方向上的压应变峰值是切槽45°方向上的压应变峰值的2.77倍,是拉应变峰值的1.94倍;应力波传播至控制孔后反射成拉伸波,反射拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加,促进切槽尖端裂隙的扩展。说明含控制孔的切槽爆破可以有效避免爆破裂隙的随机发育,对爆破裂隙有着良好的控制导向作用,可达到定向爆破煤岩体的效果。     

爆破载荷作用下控制孔增透作用机理试验研究

为了研究爆破载荷作用下控制孔增透作用机理,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计了有控制孔和无控制孔两种不同的模型试件,以煤体工程分类为依据结合构造煤物理力学特性利用相似材料配比加工制备尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的两种模型试样进行爆破模拟试验。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,采用超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用网络并行电法仪CT反演爆破前后模型试件电阻率的变化,分析两种模型试件在爆破载荷作用下裂纹扩展、动态力学和电性参数特性,进一步揭示了控制孔在深孔控制爆破卸压增透中的作用。结果表明,爆破载荷在固定端("硬"材料)产生反射压缩波,在控制孔全部反射成拉伸波;爆破试样在冲击波、应力波、爆生气体的共同作用下产生两段主要波形,测点径向应变峰值与切向应变峰值相近;爆破前后煤岩电阻率产生异常变化,前后的平均异常系数为6~9。研究成果可用于现场工程实践中利用深孔控制爆破技术卸压增透防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害。     

立井深孔直眼掏槽大直径中心空孔作用分析和参数计算

为提高立井基岩段掘进爆破效率,改善破碎块度,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,探讨深孔直眼掏槽大直径中心空孔的作用机理。理论研究表明:空孔为装药掏槽炮孔提供了一个与其相平行的辅助自由面和破碎岩石的补偿空间,加大了爆炸应力波的反射拉伸作用,空孔的存在造成了槽腔岩石中的拉应力集中,从而增大了岩石中的拉应力作用强度,引起槽腔中裂隙的进一步扩展延伸,使槽腔内岩石的破裂和破碎更充分。数值模拟结果进一步验证了大直径中心空孔所具有的应力叠加和反射拉伸作用。在此基础上,对空孔与装药孔间距的合理取值进行了理论分析计算,中心空孔应处在掏槽孔形成的爆破裂隙区之内,并选用较大的松动爆破作用指数进行设计。     

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。     

软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究

针对含软弱夹层岩体爆炸应力波的传播过程,采用数值模拟的方法,探讨了软弱夹层厚度、位置及角度对爆炸应力波传播的影响规律。研究结果表明:爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射,产生的拉伸应力波使应力波能量在迎波面汇聚,加剧该部分岩体的破坏程度。随着软弱夹层厚度的增加,前方岩体拉应力峰值增长作用由近迎波面岩体向炮孔周边岩体传播,拉应力峰值增长率逐渐提高;同时,夹层阻隔作用增强,后方岩体有效应力峰值衰减加快。软弱夹层与起爆中心的间距减小使得夹层前方岩体拉应力峰值显著增长,而对夹层后方岩体的阻隔作用逐渐减弱。应力波能量主要汇聚在软弱夹层的垂直方向,致使岩体爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法线方向发展。研究成果可用于指导类似地层隧道爆破施工设计。     

不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究

为研究双向聚能拉伸爆破应力波传播及裂纹演化规律,采用理论分析、数值模拟等方法,研究单孔爆破、连孔爆破、间隔爆破爆炸应力波的传播形式和裂纹扩展规律。结果表明,连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的裂纹扩展长度都在水平径向上达到了900 mm,而单孔聚能爆破仅600 mm,说明连孔聚能爆破时应力波的叠加使切向拉应力增大,聚能方向形成了与孔心连线相平行的裂纹,裂纹开裂延伸,直至贯通。间隔爆破时随着应力波的传播,裂纹尖端张拉应力区也不断向前推移,促使裂纹继续发展,直至贯通。该项研究在岩石成型爆破中提供了有效真实的参考依据,具有广阔的应用前景。     

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。     

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。     

爆破作用下含后缘裂隙岩质边坡的断裂力学分析

为探究爆破荷载作用下含后缘裂隙岩质边坡失稳机制,利用断裂力学相关理论,推导了爆破作用下岩质边坡后缘裂隙尖端复合应力强度因子计算公式,将裂隙尖端应力强度因子与边坡岩体的断裂韧度的比值定义为边坡稳定性系数,分析了结构面几何参数和爆破参数对边坡稳定性的影响和裂隙扩展方向的变化规律,最后通过现场实例进行验证。研究结果表明：爆破荷载的作用,改变了裂隙尖端应力场的分布情况,增加了裂隙尖端复合应力强度因子,降低了边坡稳定性系数。后缘裂隙角度越大、裂隙越长、频率越大、和平均高度越小,边坡越不稳定。采用断裂力学法对边坡稳定性的预测更加安全可靠,且能准确计算出裂隙起裂角的大小和方向,裂隙长度对裂隙起裂角无影响。     

有限—离散杂交元岩石爆破漏斗数值模拟研究

为了验证有限—离散杂交元模拟岩石爆破结果的真实性、可靠性,对岩石爆破漏斗产生过程进行了数值模拟。采用联合单一与弥散裂纹模型实现从有限元模拟到离散元模拟的转化,应用等截面管道模型模拟爆破气体对裂缝的扩张作用。模拟结果表明:有限—离散杂交元能够模拟出岩石爆破中应力波的产生、传播及在自由面反射的整个过程,能够再现岩石破碎的产生、裂隙的扩展及碎石的抛掷过程。模拟出的岩石爆破的主要分区,即破碎区、裂隙区、和弹性区,与理论研究相符,监测点的应力时程曲线与文献中的结果具用相同特征。因此有限—离散杂交元能够模拟出爆破漏斗产生的整个动态过程,为岩石爆破理论的研究提供了新的手段。     

爆炸载荷下空孔缺陷与爆生裂纹扩展行为研究

空孔在岩石巷道直眼掏槽爆破中具有重要作用,为研究空孔及其缺陷在爆炸荷载作用下的扩展行为和作用机理,以PMMA代替岩石材料,利用预制裂纹代替空孔缺陷,借助动态焦散线系统和理论分析为手段,研究不同间距下空孔、空孔处预制裂纹、爆生裂纹动态扩展规律及机理,分析不同"径距比"与掏槽效果的关系。研究结果表明:在装药量一定的情况下,随着炮孔与空孔距离的变化,爆生裂纹扩展距离呈现递增而预制裂纹扩展距离呈现递减的趋势,但都存在极值;当炮孔与空孔距离较小时,爆生裂纹和预制裂纹扩展及相互作用最复杂,爆生裂纹扩展经历由压缩应力波为主,表现为直线的前期扩展;由空孔处发射应力波和压缩应力波共同作用下,爆生裂纹偏离炮孔与空孔连心线的中期扩展,以及由空孔应力集中区作用使爆生裂纹向空孔方向偏移的后期阶段;预制裂纹扩展经历由空孔处应力集中作用下,表现为直线的前期扩展,以及由爆生裂纹处反射拉伸波作用使其向爆生裂纹发展的后期阶段;当炮孔与空孔距离较大时,反射应力波及应力集中效应对爆生裂纹和预制裂纹扩展在减弱,爆生裂纹与预制裂纹扩展行为仅有前期直线扩展阶段。"径距比"的大小对爆破效果影响较大,直眼掏槽爆破应以最优"径距比"作为掏槽爆破参数设计的依据。     

地应力条件下的凿岩爆破数值模拟

为了研究地应力对凿岩爆破的影响,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下考虑地应力条件时的单孔和多孔凿岩爆破破岩过程。模拟发现,随着初始地应力水平的增加,裂纹扩展半径和破岩区域面积减小,裂纹发育主方向趋于地应力的最大主应力方向,初始地应力对裂纹的抑制和引导作用明显;初始地应力水平的增加,对拉伸裂纹的抑制作用更为显著,从而降低了拉伸破坏对爆破破岩的贡献。模拟也表明,在初始地应力存在的条件下,通过对爆破载荷和炮孔布置进行针对性的优化,可以克服地应力带来的影响,并取得预期的爆破效果。本研究对地应力条件下的凿岩爆破工程具有理论和参考意义。     

层理面对水压爆破应力波传播规律的影响

水压爆破应力波的传播过程决定了爆破的作用效果及影响范围,层状岩体中的层理面特征对水压爆破应力波的传播路径及衰减具有直接影响.为明确水压爆破应力波在层状岩体内的传播规律及影响因素,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了层理面位置及其介质属性对水压爆破应力波传播的影响规律.结果表明:水压爆破相对于常规爆破产生的初始应力...     

地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究

随着深部开采环境逐渐复杂,为实现安全高效的工程爆破施工,针对深部开采爆破作业所面临的高地应力和穿越破碎带的问题展开分析研究.运用有限元分析软件ANSYS-LS/DYNA中的隐式-显式耦合分析程序对双向等压、双向不等压下含裂隙岩体进行数值模拟,研究高地应力区对含裂隙、弱面等岩体进行爆破开挖这一特殊工况.研究结果表明:深部...     

岩石爆破层裂机理的研究

基于连续介质损伤力学,从Ｎａｊａｒ各向同性脆性损伤的能量定义出发,从能量角度分析了爆炸应力波传播过程中岩石损伤程度的变化,确定了岩石发生层裂的判据,即当入射压缩波尚未反射部分与反射拉伸波叠加后出现的拉应力等于岩石的损伤抗拉强度（本文简称）时,岩石发生层裂。从而弥补了岩石爆破层裂理论的不足,完善了岩石爆破机理。     

岩石爆破层裂机理的研究

基于连续介质损伤力学，从Ｎａｊａｒ各向同性脆性损伤的能量定义出发，从能量角度分析了爆炸应力波传播过程中岩石损伤程度的变化，确定了岩石发生层裂的判据，即当入射压缩波尚未反射部分与反射拉伸波叠加后出现的拉应力等于岩石的损伤抗拉强度（本文简称）时，岩石发生层裂。从而弥补了岩石爆破层裂理论的不足，完善了岩石爆破机理。