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。     

基于数值模拟的预裂爆破参数优化研究

为了解决预裂爆破中预裂效果难以保证,爆破参数难以选取的问题,采用数值模拟技术对不耦合系数、孔间距等参数进行模拟分析。首先选取了RHT模型作为岩石材料模型,该模型能够较好地描述岩石在爆炸荷载下的拉伸和压缩力学响应行为。进而设计多个方案分别对不耦合系数和孔间距进行模拟,并分析其结果。模拟结果表明:不耦合系数越大,围岩受到的损伤破坏越小,而孔间距则对爆破损伤范围基本没有影响,但是其取值越大则不能形成有效的预裂缝,本次模拟确定最佳的爆破参数为不耦合系数k=3.5,孔间距L=700mm,为实际工程中预裂爆破中参数的确定提供了参考依据。     

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。     

爆破作用下低渗砂岩铀储层的岩石损伤范围研究

爆破增渗方法可有效提升地浸采铀效率，而爆破范围是影响增渗效果的关键参数。为了研究低渗砂岩铀矿中爆破损伤范围分布特征和裂纹扩展规律，基于LS-DYNA软件，采用RHT材料模型，分析了不耦合系数K和地应力对砂岩爆破损伤区范围和裂纹扩展的影响规律。结果表明：随着不耦合系数K的增大，岩石的粉碎区半径逐渐减小，缩减至同炮孔半径近似；裂隙区裂纹呈现先增大，后稳定的分布规律，在K=1.75取得了较好的爆破效果。随着地应力的增大，岩石的粉碎区形状和范围基本不发生变化，而裂隙区范围整体呈现先缩小后稳定的分布规律。本研究对低渗砂岩铀矿爆破增渗中爆破范围的确定具有理论指导意义。     

复杂含水岩体预裂爆破参数试验研究

针对我国北方某大型露天矿节理裂隙发育含水岩体边坡控制难题,从理论计算、模型试验和现场试验角度开展了预裂爆破系统研究。通过理论推导分析,分别得到了干孔和水孔条件下预裂孔孔壁压力的计算公式,得出了孔壁压力与当量不耦合系数之间的关系曲线,确定了预裂孔距的计算公式,为现场试验参数选择提供了理论依据。预裂孔孔壁压力与当量不耦合系数Kd呈负指数关系;在当量不耦合系数相同时,水介质孔壁压力皆大于空气介质的孔壁压力。有机玻璃(Polymethyl Methacrylate,PMMA)模型试验结果显示,水介质预裂爆破有助于提高炸药能量利用率,形成较好的定向预裂缝。现场试验表明:水介质预裂爆破延长了爆破作业时间,在同等条件下,水介质预裂孔距可比空气介质时减小约10%,线装药密度相应减少10%～15%;同时合理的预裂孔距应控制在1.3 m以内,以保证较好的预裂爆破效果。研究结果对于类似矿山预裂爆破作业具有一定的参考价值。     

大孤山铁矿预裂爆破研究与应用

大孤山露天铁矿靠帮爆破采用预裂爆破技术。为了寻求最优的预裂爆破参数,利用LS-DYNA软件对不同爆破参数条件下的预裂爆破过程进行数值模拟,分析模拟结果得出大孤山铁矿靠帮预裂爆破的最优炮孔间距和不耦合系数等预裂爆破参数。根据所模拟的最优预裂爆破参数,进行现场耦合预裂爆破和不耦合预裂爆破对比试验。不耦合预裂成缝效果显著且爆破施工对保留边坡震动小,有利于维护边帮稳定,得到良好的预裂爆破效果。数值模拟所确定的爆破参数可应用于大孤山铁矿靠帮爆破中,对现场爆破施工具有实际指导意义。     

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。     

深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析

针对厚硬顶板条件下冲击地压防治技术选择的难题,围绕深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂防冲原理、现场应用类型及主要影响因素进行了系统分析,并对二者在同一工况条件下的防冲效果和工程施工效率进行了对比.研究表明:深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂都是以破坏顶板完整性,使其不具备积聚弹性变形能为目的,实现冲击地压的防控.在相同布孔方式下,爆孔间距越小,爆破应力波产生的mises有效应力作用范围越集中,能量衰减速度越慢,岩石破碎塑性区以及裂隙区扩展范围越大,爆破预裂效果越好.在等围压条件下,随着预制裂缝角度的增加,压裂孔裂纹失稳扩展压力表现为先增大后减小的趋势;随着预制裂缝长度的增加,压裂孔起裂压力和裂纹失稳扩展压力均逐渐减小;随着天然裂隙夹角的增大,爆孔预制裂缝起裂压力变化不大,裂纹失稳扩展压力呈现先降低后升高变化趋势.当工作面在顶板定向水压治理区域推采期间,微震事件明显减弱,回风平巷围岩应力显著降低,巷道变形量也明显减小.同时,深孔顶板定向水压致裂在顶板控制效果、现场施工效率、工程量、限制条件以及施工安全性等方面,均优于深孔顶板预裂爆破技术,但深孔顶板预裂爆破技术具有组织时间短、防冲效果见效快的特点,适用于冲击危险区域的应急解危.     

基于正交设计模拟实验的预裂爆破参数优化方法研究

由于爆破施工周围待保护环境的复杂性和爆破扰动等有害效应的无法评估性,需对传统的预裂爆破技术进行更精细的改进和优化。采用基于正交设计的相似材料模拟实验方法对预裂爆破中的不耦合系数、同响孔数、孔距孔径比和有无导向孔四个因素进行分析,确定预裂孔成缝效果最优的起爆方式和爆破参数,并进行模拟实验验证。研究表明:装药不耦合系数取2、孔距取8倍炮孔直径、不设置导向孔、采用延期时间为12ms的逐孔起爆预裂方式,得到有效半孔率为85.4%、预裂缝宽度为25.4mm、原岩损伤率为13.5%,爆破效果综合评价最佳。     

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。     

不同耦合系数条件下岩石损伤特性的研究

在预裂爆破中,采用合理的空气比和不耦合系数能有效控制爆炸荷载对岩体的破坏。利用Autodyn有限元动力分析软件,研究预裂爆破中空气间隔不耦合装药产生的爆炸荷载对岩石的损伤特性和孔壁冲击波峰值的变化规律。通过改变装药空气比,分析空气间隔装药产生的爆炸冲击波沿孔壁的压力分布,以及间隔装药时不耦合系数对孔壁冲击波峰值和应力波传播的影响。结果表明:连续装药条件下,爆破近区的压力峰值高于岩石动态抗压强度,离炮孔越远应力波衰减的越慢;在空气间隔装药条件下,岩石的损伤深度随空气比的增大而减小,孔内空气柱周围的岩石破坏不明显;在间隔不耦合装药时,不耦合系数越大,冲击荷载的强度越低,孔壁的损伤半径也越小。     

煤矿岩巷爆破掘进炮孔密度优化研究

岩巷掘进工作面的炮孔密度(全断面炮孔数与断面面积之比)很大程度上影响了凿岩工作量和爆破效果,为了实现岩巷的快速掘进,需要对岩巷爆破的掏槽结构和其他爆破参数进行优化,在保证爆破循环进尺和巷道周边成型质量的基础上减少全断面炮孔数目,降低炮孔密度。根据在岩巷爆破掘进现场收集的资料,建立岩巷掘进爆破参数数据库,其中包含施工时间、矿区位置、掏槽方式、岩石普氏系数、掘进断面面积、全断面炮孔数目、炮孔深度、炸药单耗和炮孔利用率9个特征参数。通过对关键参数下的炮孔数目与断面面积进行线性拟合,得出关键参数在不同区间的炮孔密度变化规律,研究表明:大部分工程的炮孔密度约为5个/m²;炮孔密度与各参数具有一定相关性。其中,中深孔爆破的炮孔密度拟合值大于浅孔爆破;炸药单耗增大时,炮孔密度明显降低;炮孔利用率增大时,炮孔密度出现增大趋势;硬岩巷道的炮孔密度显著大于软岩;斜孔掏槽形式下的炮孔密度大于直孔掏槽的炮孔密度。炮孔密度较大是由于受到岩石破碎机理影响与爆破技术的限制,从而提出改进爆破技术,即采用二阶二段掏槽技术和周边孔切缝药包定向断裂控制技术。通过现场试验,发现同时采用二阶二段掏槽和周边孔切缝药包定向断裂控制技术既能够大幅降低炮孔密度,由5个/m²降到4个/m²,还可以保证爆破效果。研究对提高我国煤矿岩巷的快速掘进水平具有参考价值。     

切缝药包不耦合装药爆破损伤破坏的分形研究

为研究不同不耦合系数下切缝药包的爆后损伤破坏特征,以有机玻璃为试验材料,对不耦合系数1.33、1.67、2.00、2.33、2.67的切缝药包爆破损伤破坏进行分析。基于分形理论中计盒维数的原理,编写MATLAB程序分别计算5种不耦合系数下切缝药包在切缝方向以及垂直切缝方向爆生裂纹的分形维数。对爆后裂纹长度以及数量进行统计分析,结果表明:①在试验选取的不耦合系数范围内,切缝方向裂纹的分形维数显著大于垂直切缝方向的分形维数,切缝药包对于爆生裂纹扩展方向的控制具有明显效果;②在试验选取的不耦合系数中存在最佳不耦合系数1.67,在该不耦合系数下切缝方向爆生裂纹分形维数达到最大值,裂纹长度最大,爆破损伤破坏的定向控制效果最佳;③在不耦合系数大于1.67后,随着切缝药包不耦合系数的逐渐增大,切缝方向的裂纹扩展长度逐渐变短。     

裂纹闭合对高压空气爆破冲击煤体瓦斯抽采效果影响

鉴于高压空气爆破冲击煤体过程中裂纹闭合对瓦斯抽采效果的影响,基于能量和弹性理论,对裂纹闭合的长度进行分析计算,得到了闭合区域位置在距离爆破孔3.8 m。通过在丁集煤矿进行井下现场试验,结果表明:裂纹的闭合对该区域的瓦斯抽采影响表现为闭合区域瓦斯的涌出量增幅变小;在距离爆破孔1.0~4.0 m的区域内,随着距离爆破孔距离的增加观测孔瓦斯的涌出量增幅先增大后减小;在距离爆破孔1.8~2.5 m的区域内,瓦斯涌出量增幅最大;在距离爆破孔4.0 m区域,瓦斯涌出量增幅最小,接近裂纹闭合区域。理论计算和现场试验具有良好的一致性。     

爆炸荷载下空孔效应的研究与应用

在深部岩石的破碎中,深孔爆破具有高效安全的特点,为改善爆破效果,使岩体的完整性降低,采用空孔控制裂纹的扩展,同时利用空孔补偿岩石的位移。根据爆破理论,确定压碎区、裂隙区、弹性区的范围,通过实验研究空孔位于不同作用区时岩石的断裂方向,分析空孔与装药孔间的距离对裂纹扩展的影响,并测量不同孔间距时空孔周围的应变。实验结果表明,空孔位于爆破裂隙区时,可以有效控制裂纹的扩展方向,空孔有定向致裂的作用,此时空孔周围的应变最大。在淮北矿业集团煤矿顶板弱化中,合理布置爆破参数,使难冒顶板变为易冒顶板,爆破后岩体声速降低40%~50%,爆破区域裂纹扩展,工作面推进阻力降低,达到爆破设计要求,提高了生产效率。     

水不耦合径向装药对预裂成缝效果影响分析

摘要：为研究空气和水两种介质对预裂爆破的影响,通过LS-DYNA软件,研究不同不耦合系数情况下大理岩HJC本构模型在空气和水介质条件的单孔爆破损伤情况和多孔爆破成缝情况。结果表明：（1）不耦合系数相同情况下,水不耦合装药岩石损伤范围会大于空气不耦合装药。随着径向不耦合系数增大,大理岩在空气不耦合装药和水不耦合装药条件下的损伤范围均逐渐减小这可以有效保护孔壁岩体。（2）水不耦合装药与空气不耦合装药的应力传播规律相同,但水不耦合装药相较于空气不耦合装药,对爆炸能量的利用率更高。（3）针对于本文的岩石条件,得到了最优的爆破参数组,在现场取得较好的预裂爆破效果。     

定向断裂控制爆破机理及应用

综合运用高速激光纹影仪、超动态应变测试技术、数字激光动态焦散线试验系统等试验手段,着重研究了切缝药包定向断裂控制爆破机理,通过纹影试验多角度观测了爆轰波动的传播过程,实现了爆炸应力波与爆生气体的分离;分析了切缝药包径向不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应,对比了不同装药结构对爆生裂纹扩展的影响,确定了径向不耦合系数为167时定向断裂控制爆破效果最佳;开展了切缝药包轴向不耦合装药爆破水泥砂浆模型试验,揭示了爆炸应力场的空间分布规律;研究了双炮眼切槽方式下同时起爆,两炮眼间贯穿裂纹和炮眼外侧裂纹扩展的动态行为。最后,将切缝药包定向断裂控制爆破技术应用于煤矿岩巷、立井、隧道和边坡工程的爆破施工中,取得了较好的效果。研究成果可为工程实践提供试验依据和理论指导。