初始地应力作用下岩石爆破裂纹扩展研究

为了研究初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,本文分析了不同初始地应力情况下的裂纹扩展机理,并考虑了具有初始损伤的岩体在地应力作用下的裂隙区半径。鉴于初始地应力作用下裂隙区公式计算的复杂性,对于等向围压的岩体,引入了强度折减系数用于计算裂隙区半径,并通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟出不同初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,并验证公式的适用性。得出如下结论：初始地应力作用下的岩体产生的爆破压碎区呈现类椭圆状,且随着初始地应力的增大其压碎区半径有着一定的增大趋势。单向初始地应力作用下对于爆破产生的主裂纹扩展起导向作用,裂纹的长度随着初始地应力的增大而逐渐减小,表现为抑制作用;双向等压地应力作用下主裂纹的扩展趋势为沿着最大主应力方向成大致成45°角,强度折减系数的引入有效的考虑了初始地应力作用下的岩体裂隙区半径;不等向初始地应力的裂纹扩展方向为沿着岩体最大主应力方向成一定角度,当一侧围压固定不变时,该角度会随着另一侧围压的改变而逐渐增大或者减小。     

双向荷载下不耦合装药对石灰岩预裂爆破的影响研究

为研究石灰岩在双向荷载不耦合装药情况下，岩石预裂爆破效果，采用LS-DYNA模拟软件对直径55 mm的炮孔数值模拟，以吕梁永宁煤矿10204运输巷、10206运输巷的现场试验为背景，解释岩石破裂时所产生裂隙扩展进程，对比不同双向受力对破裂时所产生裂隙扩大的影响，不耦合系数对于破裂时所产生裂隙扩展影响。结果表明：粉碎区耗能约为15%,在不耦合系数1.51～1.97时，贯通裂隙长度呈现先增大后减小的情况，在双向荷载不耦合装药的情况下选取不耦合系数1.67为最佳。     

地应力下岩石多孔爆破损伤演化数值模拟

为研究地应力作用下岩石多孔爆破裂纹扩展机理,基于LS-DYNA软件,讨论不同地应力下岩石孔间裂纹扩展与演化过程。结果表明：在各向同性地应力作用下,岩石爆生裂纹的扩展与演化会受到抑制,且抑制作用随地应力水平的提高而增强。裂纹的分布形态呈现各向同性的特征,各向同性地应力仅影响爆生裂纹的发育长度,主裂纹的扩展方向保持不变。在各向异性地应力作用下,爆生裂纹倾向于沿最大主应力方向演化。当岩体开挖方向与最大主应力方向一致时,地应力的抑制作用有利于保护预留岩体不受损伤。减小孔间距、孔内放置水袋和采用高爆速、高爆压的炸药均有利于实现高地应力作用下的孔间裂纹贯穿。水作为耦合介质所占比例从0提高到66%时,压碎区范围扩大了62%,裂纹数量增多;从66%提高到100%时,压碎区范围、裂纹数量无明显变化。其中,后两种方法有利于提高爆破致裂的效果,孔间裂隙发育更完全。     

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。     

基于ANSYS的耦合装药系数对煤层预裂爆破增透效应数值模拟

为研究不同耦合装药系数条件下,深孔预裂爆破对煤层增透的效果,利用ANSYS/LSDYNA建立了4组不同耦合装药系数的爆破模型并进行模拟;得出裂隙发育图、应力云图及x方向的应力时程图。分析结果得以下结论:耦合系数K=1.5时的裂隙扩展长度较K=1.0时长;不耦合装药结构使有效应力分布更均匀,随着耦合装药系数的增大,有效应力范围减小,均小于完全耦合时的情况;适当增大耦合装药系数,可提高能量利用率,增透的效果更好,继续增大耦合装药系数,则裂隙不向控制孔延伸。     

单向荷载下不耦合装药预裂爆破效果研究

为研究预裂爆破效果与不耦合系数及单向荷载的关系,以某矿新设回采工作面的现场试验为背景,简化地应力为竖直方向上的单向荷载,运用LS-DYNA软件对直径为73、89、94、104、130 mm的炮孔进行预裂爆破数值模拟,分析了预裂爆破裂隙扩展过程、单向荷载对裂隙扩展的影响、预裂效果与不耦合系数的关系。结果表明:在垂直于炮孔轴向的单向荷载作用下,爆破粉碎区和主裂隙长度不受其影响,对尖端裂隙可实现裂纹二次扩展;不耦合装药系数在1.14～2.03时,形成粉碎区所耗能量低于爆炸总能量的20%;综合炸药能量利用率和预裂效果,不耦合系数取1.63左右时,预裂效果最佳。     

切缝药包光面爆破裂纹扩展时空演化分析

光面爆破机理复杂,裂隙演化具有不确定性,现场试验难以完整观察到炮孔间裂纹的起裂、扩展至贯通。采用CAD与ANSYS联合建模技术构建空气不耦合光面爆破数值模型,运用显式动力分析软件LS-DYNA定义岩石单元失效计算获得切缝药包光面爆破裂纹扩展演化过程,从时空演化角度研究光面爆破裂纹扩展规律,从而为矿山巷道爆破工程提供更精确的指导。研究结果表明:1)CAD与ANSYS联合建模技术弥补了ANSYS对于复杂模型构建的缺陷,实现精确耦合数字建模;2)定义岩石单元失效方法可以使得爆破裂纹演化过程更为直观,切缝药包爆破相较一般空气不耦合装药结构爆破,炮孔周壁产生的径向裂纹和分叉裂纹显著减少;3)模拟不耦合系数1.5、1.8、2.25切缝药包光面爆破裂纹扩展时空过程,发现切缝药包爆破裂纹扩展演化规律,其裂隙数量随着不耦合系数的增大而减少,裂纹扩展演化长度也随之变短,分叉裂纹扩展演化明显降低,当不耦合系数为1.8时,数值模拟切缝药包爆破裂纹扩展演化形成较佳的贯通裂纹,获得较好的爆破效果。     

坚硬煤体爆生裂纹的数值模拟及分析

根据安泰煤矿三采区坚硬煤体的动态力学特性及相关爆破参数,利用LS-DYNA有限元程序模拟了单孔柱状装药爆破过程,分析了爆破应力波对煤体力学性质的影响及爆破裂纹的扩展过程,得到了坚硬煤体粉碎区和裂隙区的范围及形成时间。研究结果表明,坚硬煤体爆破粉碎区半径为装药半径的3.8倍,裂隙区半径为装药半径的51倍。     

硬厚致灾岩层预裂爆破防冲参数优化及工程实践

针对彬长矿区某矿硬厚粗粒砂岩致灾层预裂爆破效果不佳的问题,采用数据分析、数值模拟及工程试验等方法研究了预裂爆破关键参数,模拟分析了岩石抗拉强度、炸药装药密度、不耦合系数及爆破孔间距对预裂爆破效果的影响,优化了针对粗粒砂岩层的爆破参数。结果表明：开展预裂爆破工程时,应当考虑爆破参数与岩层抗拉强度相适应,避免炸药能量浪费在破碎区、削弱裂隙区裂纹扩展尺度;较小炸药装药密度下,增大装药密度明显促进爆破裂纹扩展,而较大装药密度下促进作用不明显,易导致破碎区范围明显增大,浪费炸药能量;不耦合系数的最佳区间为1.42～1.58,此区间外裂纹扩展尺度较小,爆破效果不理想;增大炮孔间距,孔间裂纹贯通趋势减弱,爆破效果变差,较优的炮孔间距为10 m。优化了粗粒砂岩层的爆破参数,现场试验后工作面来压步距与支架阻力明显降低,大能量微震事件总能量与事件数占比显著降低,卸压效果较好。研究结果可为硬厚岩层预裂爆破参数设计提供参考。     

CO_2致裂增透机理及影响因素模拟分析

分析了CO_2致裂增透机理,总结出CO_2致裂增透技术的优点,通过建立地应力与煤层裂隙扩展相互作用力学模型,推导出煤层裂隙与应力之间的关系公式。在此基础上,采用FLAC3D数值模拟软件模拟了地应力及煤体普氏系数对致裂半径的影响规律。数值模拟结果表明,垂直应力越大,裂隙扩展范围越小;煤体普氏系数越大,裂隙扩展范围越大。     

纳岭沟铀矿床洞穴增渗数值模拟研究

天然铀是保障我国核电发展和国防安全的重要战略资源,为满足国内日益紧迫的铀资源需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出的技术瓶颈,本文提出了洞穴增渗技术方法,并研究了其在低渗透砂岩铀矿中的适用性。依托纳岭沟砂岩铀矿床,基于渗流、岩石力学理论构建了洞穴增渗作业数学模型,采用COMSOL软件对不同作业方式、作业次数下洞穴增渗形成的洞穴形态大小和渗透性改善情况进行了数值模拟研究。结果表明：连续作业方式效果优于恒定压力场作业方式,渗透性改善带主要发生在高压分布带控制范围内,10次洞穴增渗作业后渗透性改善带半径达20 m左右,钻孔附近渗透性改善倍数可达10~20倍。研究成果说明洞穴增渗技术在低渗透砂岩铀矿层中具有较好的效果,适用于提高我国低渗透砂岩铀矿床渗透性。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

低渗砂岩型铀矿液态CO2相变致裂增透高效开采新模式

安全稳定的铀资源供应,对于保障国家安全、促进核工业健康可持续发展具有重要的意义。针对我国低渗透性砂岩型铀矿在地浸开采中渗透性低、浸出困难的技术难题,提出了低渗砂岩型铀矿液态CO2相 变致裂增透高效开采技术模式,即采用液态CO2相变致裂技术,在地浸采铀抽、注液孔之间产生大量的联通裂隙,提高低渗透铀矿的渗流能力。采用理论方法计算了液态CO2相变致裂影响半径,建立了液态CO2相变致裂 增透地浸开采流程,系统进行了低渗砂岩型铀矿液态CO2相变致裂增透高效开采技术特征研究。结果表明：低渗砂岩型铀矿液态CO2相变致裂增透技术影响半径为6.53 m,该技术能够实现三维应力条件下岩体致裂破坏 ,能够有效增加岩体损伤裂隙网络分布,具有破岩致裂增透、降低化学沉淀及经济可行性。研究结果为有效解决低渗透性造成的砂岩型铀矿地浸开采“难注、难采、低回收率”等难题提供了新途径。     

高地应力条件下高压空气爆破卸压增透技术实验研究

为探索高地应力条件下的非常规卸压增透技术,研究了深部矿井高压空气爆破卸压机理,分析了地面与井下气爆致裂煤体的差异性,构建了高地应力条件下高压空气爆破卸压范围的理论计算模型,以丁集煤矿为工程背景,理论计算了气爆致裂煤体的卸压范围;详细介绍了高压空气爆破技术与装备,开展了高压空气爆破的地面实验,得到了有、无位移约束2种条件下混凝土试件气爆破坏效果与破坏特征,分析了气爆压缩波反射作用对试件的破坏影响作用;开展了丁集矿的井下现场试验,研究了气爆卸压增透效果,分析了气爆前后钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、衰减系数与透气性系数的变化特征,结合以往经验类比与理论计算,得到了气爆后卸压增透的最佳范围。研究结果表明:在气爆压力达到60 MPa左右时,有、无位移约束的混凝土试件破坏程度很高,主要呈现出径向断裂特征;在淮南丁集煤矿气爆后的煤层钻孔瓦斯流量是无气爆的6～8倍,瓦斯抽采量是气爆前的4～7倍,透气性系数是未气爆的5～1 050倍,衰减系数是未气爆的0.4倍,气爆的最佳卸压增透半径不超过2 m;首次气爆使爆孔周围煤体的力学性质得到弱化,相当于爆孔周围发生了卸荷效应,在二次气爆与高地应力共同作用下形成了较大的松动破坏范围,从而达到卸压增透目的。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

液态CO2相变致裂器泄能头气孔压力研究

采用CO₂相变爆破代替传统炸药爆破作为输入能量,对低渗砂岩铀矿层进行“爆破增渗”物理改造,对于提高我国天然铀产量具有十分重要的意义。目前工业化生产的CO₂致裂器主要针对煤岩开采等领域设计,在爆破增渗工况中适应性不佳。为此,对传统致裂器泄能头进行多孔设计、平衡各泄气孔压力,为设计出针对爆破增渗领域的“各气孔压力大且均匀”的致裂器提供理论参考。以RNG k-ε湍流模型为理论基础,基于计算流体动力学（CFD）对致裂器泄能头部分进行了数值仿真试验,分析了泄能头内的气体流动规律及压力分布特征,探讨了位置关系和孔径特征两个因素对泄气孔压力变化的影响规律。结果表明：为保持气孔压力的稳定输出,对称式分布的泄气孔优于交错式分布的泄气孔布置;同时,泄气孔直径设置为由首部至端部递增的非均匀式,可有效降低各气孔之间的压差。上述分析进一步表明：非均匀对称式的泄能头类型更符合爆破增渗的需求。     

高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤数值模拟研究

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明：应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察

我国95％以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层,煤层透气性系数只有10-3～10-4 mD,未卸压瓦斯抽采难度非常大.保护层开采破坏了原岩应力平衡,地应力重新分布,煤层与岩体发生卸压、膨胀,并产生大小不同的裂缝,增大了透气性系数,可以提高抽采效率.采用压降法测定钻孔抽放影响半径,并对保护层开采的卸压增透效果进行评价,分析得出,在未卸压区域钻场抽放影响半径是单孔抽放影响半径的1.85倍,单纯的增加钻孔数量对抽放效率的提高有限;保护层开采将钻场有效影响半径由卸压前的3.7m提高到卸压后的5 m,卸压增透效果明显.     

在可渗透砂岩中构建人工隔水层的技术方法与试验研究

针对砂岩型铀矿体赋存于厚含矿含水层及其在地浸开采过程中的稀释问题,提出了采用高分堵剂在高渗透的围岩地层中建造人工隔水层的设计思路。以新疆某厚砂体铀矿为例,根据其地浸工艺化学特征,选择FT-2和YG-1高分子堵剂,采用水力喷砂射孔技术在地浸井内打开高渗透围岩地层,分三个阶段向渗透围岩地层高压注入堵剂建造人工隔水层;通过封堵前后的热测井对比试验,表明封堵后围岩层的吸水率较封堵前下降了82%,建造的人工隔水层满足预期目标。