煤层深孔聚能爆破动力效应分析与应用

为研究煤层深孔聚能爆破致裂增透机理,构建聚能爆破分析模型,运用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨聚能爆破时聚能射流的成型机理、爆炸应力波的传播特点、煤体力学特征和裂隙扩展机理.结果表明：聚能槽集聚爆轰能量形成聚能射流并产生聚能效应,聚能效应显著改变了爆炸应力波的传播特性和煤体的力学性质,在聚能方向煤体所受压应力峰值是非聚能方向的1.10~1.29倍,有效地促进了裂隙的扩展;且主聚能方向煤体所受压应力峰值由次聚能方向的0.85倍增大到1.06倍,放缓了煤体所受应力的衰减速度.此外,煤层深孔聚能爆破工程应用实验表明,聚能爆破后抽采孔平均瓦斯含量是聚能爆破前的1.58倍,有效地提高了煤层透气性和瓦斯抽采率.     

缝槽水压爆破破岩载荷实验研究

针对缝槽爆破中以空气作为不耦合介质,其冲击波和准静态压力较小、炸药能量利用率低、破岩能力弱的问题,提出缝槽水压爆破方法。利用水的微压缩性,以及传能效率高等特点,以水作为炮孔不耦合介质,提升缝槽爆破破岩载荷,开展其爆破破岩载荷特征研究。通过自主研发的缝槽爆破载荷测试实验系统,分别开展缝槽空气不耦合爆破和缝槽水压爆破实验。结果表明:水作为缝槽爆破不耦合介质,其冲击波压力峰值约是缝槽空气不耦合爆破的35倍,冲击波压力上升沿更平缓,入射效率更高;其准静态压力峰值是缝槽空气不耦合爆破的37～46倍,水压爆破的准静态压力压降缓慢,保压时间更长。研究表明,缝槽水压爆破的炸药能量利用率高,爆炸载荷提升明显。上述研究成果有助于深入认识缝槽水压爆破破岩载荷特性,同时对该方法的工程应用提供理论和实验支撑。      

切缝药包爆破的作用机理

论述了切缝药包爆破的聚能作用，开裂条件与力学分析，以及爆炸成缝的机理。     

谈井下矿山二次破碎裸露爆破方法

井下矿山二次破碎裸露爆破可采用聚能药包和水封聚能药包破碎大块，聚能药包能改变药柱某个方向的猛度，提高炸药能量利用率，水封爆破利用了炸药的猛度和一部分爆力作用，从而有效地利用了炸药本身的能量，降低了爆破危害。     

装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响

针对装药结构对聚能爆破煤层增透的影响,在分析装药结构对爆炸应力波传播特性、爆破裂隙分区影响的基础上,基于平煤十矿己组煤层瓦斯地质条件设计了煤层深孔聚能爆破现场试验方案,通过现场试验探讨了装药结构对煤层深孔聚能爆破在水平方向和竖直方向上的影响.实验结果表明：装药结构影响煤层深孔聚能爆破增透效果,煤层深孔聚能爆破后,在水平方向爆破影响区内瓦斯抽采浓度平均增幅为52.78%;竖直方向上距离爆破孔相同距离的考察孔在爆破后,处于爆破孔上方的考察孔无炮烟逸出,处于下方的考察孔有炮烟逸出,证明偏心不耦合装药结构对爆破孔上方煤层影响小于对下方煤层影响,爆破孔上方爆破裂隙范围小于下方爆破裂隙范围.     

地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透的作用

针对地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透问题，在分析钻孔围岩应力场、爆生裂隙扩展及动态卸载效应的基础上，对不同地应力条件下聚能爆破作用过程及裂隙发育特征进行了数值模拟，并通过在不同埋深下的聚能爆破现场试验，探讨了地应力对煤层深孔聚能爆破致裂增透的作用。结果表明:在高地应力煤层进行深孔聚能爆破时，地应力在煤层深孔聚能爆破裂隙扩展不同阶段的作用存在较大区别，在未进行聚能爆破时，钻孔围岩应力状态及形变特征由钻孔形态以及地应力共同决定。在聚能爆破作用初始阶段，由于聚能爆破对围岩产生的冲击作用明显强于地应力，因此爆生裂隙在初期的扩展方向主要由聚能装药结构控制，沿聚能槽开口方向形成定向裂隙；随着裂隙向四周扩展，爆破作用逐渐减弱，地应力作用逐渐显现，钻孔围岩在地应力作用下产生切向压应力，限制了爆破径向裂隙扩展。同时，与主应力方向不同的煤体裂隙在较强的剪应力作用下逐渐沿最大主应力方向偏转。当爆破作用产生的等效动态应力无法继续使煤体进一步压缩时，钻孔围岩内积聚的弹性应变能开始朝爆破中心方向释放，形成新的裂隙。此外，不同方向上的裂隙扩展范围受侧压系数控制，当垂直主应力一定时，随着侧压系数增大，最小主应力方向的裂隙范围进一步减小。      

地下工程中基于人工神经网络的岩爆预测

通过收集国内外多个地下工程和矿山实际岩爆资料,分析了影响岩爆发生的主要因素,运用人工神经网络方法,建立了岩爆预测的人工神经网络模型,并根据某地下工程的实测参数,验证了预测模型的可靠性.结果表明,所建立的模型具有较高的预测精度.     

煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨

在对煤层深孔聚能爆破致裂分区研究的基础上, 针对聚能爆破煤层裂隙扩展特征及范围进行了数值模拟研究.结果表明, 炮孔周围可划分为爆破压碎区、爆破裂隙区和弹性变形区, 根据裂隙类型及裂隙数目的差异, 爆破裂隙区又可划分为裂隙密集区和主裂隙扩展区.受聚能装药结构的影响, 压碎区的范围呈聚能罩开口方向小于其他方向的类椭圆状; 裂隙密集区和主裂隙扩展区的范围均呈聚能罩开口方向大于其他方向的类椭圆状.煤层深孔聚能爆破致裂增透工程试验发现, 随着远离炮孔, 各个观察孔内瓦斯体积分数增幅受聚能爆破的影响呈"强-中-弱"阶梯状变化, 与所构建的聚能爆破致裂分区模型比较一致, 即聚能爆破载荷下煤层裂隙具有明显的分区特征, 压碎区、裂隙密集区和主裂隙扩展区组成了煤层深孔聚能爆破的有效致裂范围.      

瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数

以焦作煤业集团九里山矿煤层深孔聚能爆破试验为基础,利用数值模拟分析了爆破煤体应力变化规律,发现聚能爆破效应导致应力峰值增大,扩大了煤体裂隙区范围.同时对聚能爆破钻孔参数进行优化,确定了合理的炮孔直径、爆破孔间距、爆破孔与邻近抽放孔及煤层顶底板间距.现场试验结果表明:优化的钻孔参数不仅使聚能爆破增透效果显著而且保证了爆破过程的安全.     

护壁爆破的护壁作用和聚能效应

<正>进行了光面护壁爆破和切缝护壁爆破技术的动态光弹性试验,获得了光面护壁爆破和切缝护壁爆破过程的等差条纹图。从对条纹图的分析表明,由于护壁套管的存在,能够大幅度降低爆炸产物对护壁面方向的冲击作用,光面护壁爆破临空面和护壁面之间的剪应力差值高达3.5倍,切缝护壁爆破临空面和护壁面之间的剪应力差值高达1.75倍。它们是在护壁面和临空面之间形成光滑爆破开裂面的重要动力。这说明护壁爆破有较好的护壁作用和聚能效应。     

新城金矿阶段空场嗣后充填法开采大直径深孔切槽爆破方法

在阶段空场嗣后充填法开采过程中,如何形成回采爆破的初始补偿空间是成功应用该采矿方法的关键。阶段空场嗣后充填法在进行切割拉槽爆破时,受到围岩的夹制作用,极易造成切割槽爆破欠挖甚至出现爆破失败的问题。以新城金矿为工程背景,采用无切割井大直径深孔爆破方法形成切割槽。对比分析传统的垂直深孔后退式分段爆破拉槽方法与“品”字形后退式分段爆破拉槽方法,结果表明：当采用“品”字形后退式分段爆破拉槽方法时,既利用了采场下部的自由空间,又利用了由于“品”字形布置所创造的超前自由面和中央补偿空间,可以显著提升无切割井深孔爆破的效果。在此基础上,优化了新城金矿阶段充填法开采过程中大直径深孔切槽爆破的孔网参数。综合分析结果,确定了新城金矿大直径深孔切槽爆破一次爆破高度为3.6 m,炮孔直径为100 mm,炮孔的排间距和孔间距均为1.5 m,爆破边孔距离爆破边界为0.5 m,并在切割槽中央设置4个空间补偿孔,改善“品”字形后退式深孔切槽爆破的效果。     

切缝药包爆破定向断裂机理及围岩损伤特性分析

依据弹性波动理论,结合冲击波在岩石或类岩石介质中的传播规律,建立了切缝药包爆破时切缝方向与非切缝方向的孔壁峰值应力、粉碎区和裂隙区范围之间的比例关系.利用AUTODYN软件建立了切缝药包爆破模型,在其切缝方向与非切缝方向各等间距设置5个测点,对测点处的应力峰值、爆破振动速度峰值以及峰值对应的时间进行了分析.而后基于淮南矿区顾北煤矿的巷道爆破试验,进行了普通药包、切缝药包以及不同周边孔间距的爆破试验,研究了切缝药包以及周边孔间距的大小对围岩损伤度的影响.结果表明,使用切缝药包爆破时,在其切缝方向会产生爆轰产物射流和应力集中,同时会减弱非切缝方向的应力峰值和爆破振动速度,延缓非切缝方向的能量传播速度,减弱非切缝方向的能量传播大小,从而达到定向断裂的目的;通过现场试验可以发现,使用切缝药包比使用普通药包爆破后,围岩的损伤度下降了30%以上;当使用切缝药包爆破时,随着周边孔间距的增大,爆后围岩损伤度呈下降趋势.     

掏槽孔超深深度对爆破效果的影响

煤矿岩巷钻爆施工中,速度的关键在于掏槽.随着岩巷掘进工程量不断增大,虽然炮孔深度逐渐增大,但是掏槽孔超出普通孔的长度并没有改变,基本保持在200 mm及以下.针对掏槽孔超深与炮孔利用率这一问题,本文在超深系数η的基础上,引入裂隙区重合度φ的概念,利用数学建模方法,分析了不同超深深度爆破时的岩石应力状态,建立了超深深度及岩石碎胀系数之间的关系,并确定了掏槽槽腔主要参数的计算公式及取值范围,发现存在最优掏槽孔超深系数η和裂隙区重合度φ,使得炮眼利用率最高.利用LS-DYNA数值模拟分析了掏槽孔超深爆破时爆炸应力波的传播规律和孔底岩石的受力特征,并比较了200、300、400和500 mm不同超深深度的应力波强度变化特征并应用于岩巷掘进现场,对比了超深爆破方案和普通爆破方案的单循环进尺、炮孔利用率、眼痕率及大块率等爆破效果指标.结果表明,当超深深度为400 mm时,炸药爆破能量充分用于破岩,能量利用率最高,爆破后形成重叠的裂隙区,增大了后续爆破的自由面,提高了爆破破岩的效率,对岩巷钻爆法施工的参数优化有一定的指导意义.     

节理发育岩体巷道掘进爆破数值模拟与应用研究

节理面、软弱夹层和断层等地质不连续面是影响巷道掘进爆破效果的重要因素。根据岩体中应力波的传播理论,以某煤矿轨道下山为工程背景,利用LS-DYNA软件对倾角为68°、宽度为3 cm的节理岩体巷道掘进掏槽爆破进行模拟分析,验证了理论分析中节理面对爆炸应力波传播的影响。结果表明：节理面破坏了岩体的整体性,其背爆侧岩石破碎较弱,而迎爆侧由于节理的反射作用岩体破碎加剧。提出了掏槽孔中心直眼采用孔内间隔延期装药结构和?35 mm的炸药以增加掏槽爆破能量,合理布置炮孔、减少节理面附近炮孔装药量,并辅以增加炮孔深度、提高堵塞长度和质量等措施,延长了爆炸能量作用时间,提高了爆破效率。现场应用取得了良好的效果。     

基于RHT模型双孔同时爆破均质岩体损伤的数值模拟

为探究双孔爆破时炮孔间距和额外自由面对爆破过程中爆破损伤的影响,基于RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）损伤本构建立了多组三维数值模型,利用模型损伤云图研究不同爆破条件下的岩石爆破过程,通过自定义变量—有效损伤率的变化探究炮孔周围岩石损伤的时空演化过程。结果表明：随着炮孔间距的增加,岩石有效损伤率逐渐递减,相同截面处的有效损伤率在炮孔间距最小的方案中最大,相邻炮孔间的爆破能量叠加作用随炮孔间距的增大而减弱,合适的炮孔间距可以获得更加理想的爆破效果;岩石有效损伤率随着自由面到炮孔中心处距离的增大而逐渐减小,爆破能量倾向于向自由面方向传播,额外自由面对爆破能量分布的影响随自由面与炮孔间距的增大而减弱。数值模拟结果对研究双孔爆破能量的传递法则具有一定的借鉴意义。     

应力波形对岩石爆生裂纹扩展机制影响的数值模拟

运用RFPA3D动力分析软件模拟了冲击动力作用下含预制裂纹岩石的裂纹扩展过程,探究了应力波峰值、能量、上升及下降速率对岩石裂纹扩展过程的影响。研究表明动载下岩石裂纹扩展形态受应力波上升速率影响,应力波上升速率越快,孔周边岩石越破碎;应力波能量影响裂纹扩展长度,能量越大裂纹扩展越长,而相同能量条件下,应力波上升速率越小,裂纹扩展距离越远,但孔边破碎程度越弱;上升速率和应力波上升沿能量共同影响着炮孔粉碎区半径。数值模拟结果很好地揭示了不同应力波峰值、能量与上升/下降速率对岩石的破碎机制,在实际爆破作业中可以通过水炮泥封口或者采用空气柱间隔装药结构来延长应力波作用时间,以达到扩大爆破影响范围的目的,而通过选取合适类型与配比的炸药来提升应力波上升速率从而增强孔边破碎效果。      

深部岩体水耦合爆破裂纹扩展数值模拟研究

为认识深部高地应力岩体水耦合爆破裂纹扩展过程及机理,选择试验验证的RHT本构,采用LS-DYNA对水耦合装药单孔在不同原位应力场下的岩体爆破裂纹扩展进行数值分析.模拟结果表明:水耦合的方法延长了爆炸作用时间,提高了岩体中爆炸应力峰值和PPV(质点振动速度峰值),增强了爆破致裂岩体的效果;原位应力在深部岩体水耦合爆破中起...     

矿山深部卸压技术研究现状及展望

随着国内外矿山进入深部开采阶段,高应力特征显现,岩爆、冲击地压等地质灾害频发,增加了深部矿产资源开采的难度。卸压技术能够有效解决矿山深部局部高应力集中并防治矿山动力地质灾害,因而受到国内外学者的广泛关注。通过梳理国内外卸压技术研究现状,归纳总结了主要卸压技术（包括水力卸压、钻孔卸压、卸压槽/卸压巷道和爆破卸压等）及常用的研究手段（相似材料模拟和数值模拟）,对比分析了各类卸压技术的优缺点。结合当前金属矿山深部开采的实际需求,提出未来卸压技术理论研究的若干重要方向：（1）深化理论研究,通过经验公式来确定合理的卸压参数,从而指导生产实践;（2）相比其他卸压技术,爆破卸压的应用前景广阔,同时多种卸压方法相结合是未来深部矿山开采的有效措施;（3）数值模拟在卸压技术及参数确定方面的优势显著,未来卸压技术研究应充分了解现场复杂地质条件,结合相似模拟、数值模拟与现场试验,提出一套适用于金属矿山深部开采实际的卸压技术方案。