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。     

厚层坚硬石灰岩顶板深孔预裂爆破技术研究

为解决厚层坚硬石灰岩顶板煤层开采过程中悬顶面积大的问题,综合运用理论分析、数值模拟、现场实测等手段,采用深孔预裂爆破技术控制初次来压步距。研究表明:原生顶板条件下,根据关键层理论预计工作面初次来压步距为59.2 m,顶板来压非常强烈。通过数值模拟分析深孔爆破裂纹扩展特征,在开切眼实施深孔预裂爆破后,沿炮孔径向产生大量次生裂隙,破坏了K2石灰岩的完整性。根据爆破过程中炮孔周围监测点应变响应特征,确定炮孔间距为6 m。支架工作阻力在线监测系统显示初次来压步距平均值为34.3 m,动载系数为1.35。工作面初次来压步距减小24.9 m,来压强度减弱,实现了工作面初采阶段安全高效生产。     

CO2相变爆破致裂增透裂纹扩展数值模拟研究

为探究CO2相变爆破致裂在不同孔间距中的扩展趋势以及在煤层气开采中的应用价值,在贵州省安顺宏发煤矿开展CO2相变爆破致裂试验,对比LS-DYNA裂纹扩展数值模拟结果.研究表明:现场试验中相同条件下,钻孔间距10 m CO2相变爆破致裂效果最佳,且经过CO2相变爆破增透致裂后,煤层的透气性系数可以达到原煤层的3倍左右.软...     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.     

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。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟

针对高瓦斯低透气性煤层，采用Taylor方法建立了一个新的LS-DYNA3D爆破损伤模型，对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究，再现了爆破过程中，动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距为5~6 m，为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.     

不同孔间距抽采孔对深孔预裂爆破增透效果影响研究

为了研究不同孔间距抽采孔对深孔预裂爆破效果的影响,利用ANSYS有限元模拟软件,建立深孔预裂爆破影响范围物理模型,设计5种工况探讨不同孔间距抽采孔对深孔预裂爆破的影响效果;研究了不同孔间距抽采孔对爆破裂隙的扩展形态的影响,分析了抽采孔内壁质点位移及振动速度,最终确定合理的孔间距。模拟结果表明:孔间距为4 m时爆生主裂纹会贯穿经过抽采孔,抽采孔可能会出现塌孔现象。3~7 m的孔间距区间,随着孔间距的增大,抽采孔对煤体爆生裂纹的影响逐渐削弱;孔间距虽然对裂隙整体走势产生影响,但对于煤层整体的增透效果并未产生明显差异;确定深孔预裂爆破的预裂孔与抽采孔的最佳间距为5 m。     

坚硬顶板切缝药包深孔预裂松动爆破技术研究

以安徽淮南张集矿为背景,采用数值模拟和现场试验相结合的方法进行坚硬顶板松动爆破关键控制技术的研究。数值模拟了切缝药包深孔松动爆破效果,进行了普通药包爆破与切缝药包控制爆破现场对比试验。结果表明:所提出的基于切缝药包定向断裂的巨厚坚硬顶板超深孔松动预裂技术,可以扩大爆破裂纹定向扩展范围,解决超深孔松动预裂炮孔爆破底部眼间距过大的难题,从而实现对爆破破裂面及坚硬顶板的垮落位置的精准控制,以及人为调控周期来压步距,使坚硬顶板能够及时、安全垮落,实现工作面的连续安全开采。     

高地力环境下聚能爆破动、静作用对岩石内裂纹起裂与扩展机理研究

深部硬岩深孔爆破弱化是一个爆炸动静荷载与地应力耦合作用下的无自由面爆破过程,地应力对爆破裂纹扩展具有很强的抑制作用,这极大地限制了深孔爆破在工作面硬岩的预弱化及切顶卸压等工程中的应用。为了探索地应力影响下的无限岩石爆破中应力波与爆生气体二者对裂纹起裂与扩展的作用机理,采用爆炸力学与断裂力学理论推导了聚能爆破动作用阶段的裂纹长度,利用LSDYNA软件研究了地应力作用下聚能爆破动、静作用下的岩石内裂纹起裂与扩展过程。结果表明：(1)数值模拟结果指向动、静作用的时间分界点为32μs,聚能爆破动作用阶段对裂纹的起裂及初始扩展占主导地位,爆生气体静作用对裂纹的后期扩展占主导。(2)无地应力作用时,静作用阶段裂纹扩展长度是应力波动作用阶段的11倍。地应力为20 MPa时,聚能爆破中动作用阶段裂纹长度被抑制了12.4%,静作用阶段裂纹长度被抑制了86.3%,地应力主要对后期爆生气体静作用阶段的裂纹扩展起抑制作用;侧向地应力垂直于裂纹扩展方向时,其抑制作用随侧向地应力增大而减弱;(3)依托古城矿N1302工作面切顶卸压工程背景,在考虑现场地应力及施工条件下,通过数值模拟最终确定最佳不耦合系数为1.3,...     

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。     

不同直径空孔对爆生裂纹扩展行为影响规律的实验研究

为得到空孔直径的改变对爆生裂纹扩展行为的影响规律,采用动态焦散线实验方法,研究了不同空孔直径情况下爆生裂纹扩展轨迹、扩展速度及裂尖动态应力强度因子的变化规律。研究结果表明:随着试件中三条爆生主裂纹的尖端相对距离的减小,裂纹尖端应力场的相互作用逐渐增强,使裂纹扩展速度增加并达到峰值;随着空孔直径的增大,裂纹扩展后期裂纹扩展速度和应力强度因子振荡效应减弱,有利于运动裂纹向空孔方向扩展;在一定范围内,空孔直径越大,空孔对爆生裂纹的导向作用越明显;随着空孔直径的增大,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子发生突跃增大的趋势减弱。     

利用数值模拟技术优化光面爆破炮孔间距

利用西石门铁矿的基本岩体力学特性,通过有限元数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA对光面爆破周边眼的耦合装药爆破过程进行模拟,在能对岩石正常崩落的同时尽可能减小对围岩的扰动,得出了较为合理的周边眼的炮孔间距为0.6 m,提高了光面爆破的效率。     

中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研

分析了切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展机理,在切缝处应力集中和压力差共同作用下形成初始裂纹,而后的裂纹扩展经历了切向拉伸应力作用下的扩展阶段、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3个阶段。在理论分析的基础上结合工程实际,提出了切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术。现场应用效果表明：切缝管爆破可提高炮孔利用率和眼痕率,降低爆破对围岩的扰动损伤,改善掏槽爆破和周边爆破效果,有利于提高巷道掘进速度。     

裂隙岩体爆生裂纹扩展机理数值模拟研究*

为研究裂隙岩体爆破裂纹扩展机理,采用LS-DYNA软件模拟含竖向单裂隙、水平单裂隙和竖向平行裂隙的岩体爆破过程,并讨论原岩应力对裂隙岩体爆破的影响。结果表明：炮孔连线中心处存在竖向单裂隙时,孔间裂纹均能实现贯穿,裂隙有闭合的趋势,且裂隙的存在有利于提高孔间岩石的破碎程度。炮孔连线处存在竖向平行裂隙时,裂隙尖端萌生的翼裂纹可以贯通,但平行裂隙之间无法实现良好的破岩效果。水平裂隙距炮孔较近时,应力波透射至裂隙面背爆侧后会产生较多拉伸裂纹。水平裂隙距离炮孔较远时,裂隙的阻隔作用较明显。在静水地应力作用下,岩石径向拉伸裂纹和尖端翼裂纹的萌生与扩展均受到抑制作用。在非静水地应力作用下,裂纹扩展在最小主应力方向受到的抑制作用更大,且该抑制作用随最大主应力的增大而增大。     

刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究

通过采用RFPA2D软件对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究.分别模拟了单刀头、双刀头、三刀头作用下的岩体破碎过程,并对多刀头作用时进行了刀间距优化.模拟结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体出现4个阶段,并体现为以张拉为主、伴随挤压或剪切破坏等复杂破坏形式.在围压作用下,平行于围压方向的裂纹更容易产生与扩展,更有利于刀头侧向裂纹的贯通.多刀头之间有明显的协同作用效应,破碎比能随着刀间距的增加有一个逐渐增加然后减小的过程.数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以为岩石掘进机设计、盘形滚刀布置提供参考.     

深井扇形组合孔短延时爆破裂纹扩展模拟研究

提出了一种扇形组合孔短延时爆破的构想,即在常规的每排扇形崩落孔中间增加一排致裂孔,崩落孔与致裂孔之间短延时间隔起爆。使用ANSYS/LS-DYNA对不同延时时间及不同围压加载条件下的爆破方案进行数值模拟研究,发现高应力环境下常规扇形孔爆破无法形成有效爆破漏斗,扇形组合孔短延时爆破则损伤破裂更加有效、破岩效果更好。此外对不同围压条件下的裂纹扩展进行分析,爆破裂纹扩展趋向于最大主应力方向。数值模拟及现场工程实践证实,当最大主应力方向与扇形崩落排孔成一定小角度,即平行崩落排孔方向加载较大围压、垂直排孔方向加载较小围压时,扇形组合孔短延时爆破不仅可以改善岩石破碎效果,也可以有效保护后排炮孔和保留岩体。     

聚能光面爆破光爆层参数优化研究

结合聚能爆破对光面爆破光爆层参数进行优化分析，分析了聚能爆破初始裂纹的形成机理，提出了采用双孔聚能方向裂纹贯通时和非聚能方向主裂纹与反射拉伸波引起的拉伸裂纹贯通时的时差作爆破效果评价标准，结合裂纹最终扩展效果进行分析，并将研究结果应用于实际工程中。研究表明：仅从裂纹贯通时差的角度分析，在一定范围内光爆层厚度越小，炮孔间距越大，效果越佳；在相同炮孔间距下，随着光爆层厚度的增加，光爆层的裂纹密度逐渐减小，为保证炮孔间裂纹的有效贯通及有效控制破碎块度大小，炮孔间距不宜大于700 mm、光爆层厚度不宜小于500 mm且不宜大于700 mm；当药型罩为PVC的椭圆双极线性聚能药包装药结构，炮孔直径为42 mm时，聚能光爆层最优爆破方案为“炮孔间距为700 mm，光爆层厚度为600 mm”。研究结果为类似工程光面爆破周边眼参数的设计提供参考。     

基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律

根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。     

多孔同段聚能爆破煤层增透数值模拟及应用

构建三维多孔同段(多个炮孔同时起爆)聚能爆破模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件再现聚能射流及爆炸应力波传播与叠加的过程,探讨应力波的传播规律;同时对多孔同段聚能爆破下不同间距炮孔间的煤体单元应力进行了分析。研究结果表明,炸药爆炸后形成聚能射流侵彻煤体,随后形成的爆炸应力波沿着各自的方向传播,之后相遇叠加,相邻炮孔间距越大,应力波叠加所需时间越长且叠加应力越小;比较不同间距相邻炮孔间煤体单元应力,发现裂隙首先在炮孔周围产生,随着爆轰气体的传播,裂缝将主要沿着炮孔连线扩展。只要相邻炮孔间距得当,相邻炮孔间煤体区域相当于受到2次爆破作用,使得煤体裂隙充分发育并相互贯通,提高瓦斯抽采率。同时在平顶山开展了煤层多孔聚能爆破现场实验,结果表明多孔聚能爆破能有效提高煤体致裂程度,同时确定了多孔聚能爆破最佳相邻炮孔间距。