柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析。在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统,对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验。结果表明,使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育;随着聚能罩角度减少,聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑,裂纹宽度也随之增加,试块剖面更加平整;根据超动态应变仪反演结果,1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍,1.26倍和1.08倍,且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短,表明随着聚能罩开口的减小,聚能方向上能量集中现象越明显。通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析。模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大,聚能方向产生的裂纹最长。试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果,研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义。

爆破载荷作用下高地应力巷道PPV衰减规律研究

为研究深部高地应力条件下巷道围岩质点峰值振速(Peak particle velocity, PPV)衰减规律,以淮南潘三矿超前卸压预裂爆破扰动瓦斯综治巷为工程背景,使用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对不同地应力下巷道围岩的PPV衰减规律进行研究。使用理论分析与数值模拟相结合的方法,从动应力、振动能量的角度对地应力与PPV之间的关系做出了解释。结果表明:随着爆心距增大,PPV整体上呈指数型衰减;在相同爆心距下,地应力越大,PPV越小且衰减速度越慢;随着爆心距增大,地应力对PPV抑制作用减弱;由于爆炸应力波的反射叠加效应,巷道迎爆侧围岩PPV衰减曲线出现反复波动,在自由面处获得最大峰值;迎爆侧围岩仍然遵循地应力越大PPV越小的规律。研究结果对深部高地应力爆破作业方案优化设计及深井爆破振动安全判据、构筑物动力响应特征的研究具有指导意义。

松软煤层底板岩层控制爆破诱发煤层增透模拟试验研究

针对松软煤层深孔预裂爆破增透时存在的爆破效果差、裂隙闭合快、增透时效短等问题,开展了底板深孔控制爆破试验研究。通过理论分析,建立了深孔底板爆破力学传播模型,分析了应力波在煤、岩体的传播过程,和控制孔诱导爆破裂隙的定向扩展效应。以淮南矿区C-13煤层为对象,利用相似模拟实验与数值模拟计算研究了有、无控制孔对爆破效果的影响。结果表明,当应力波作用于煤岩交界面时会因煤、岩体波阻抗不同反射形成拉伸应力波,加剧煤岩交界面的损伤程度,而岩体损伤所形成的弱面,引导了爆生应力波向此方向扩展,最终在松软煤体形成损伤裂纹,从而实现了松软煤层底板爆破诱发煤层增透。而控制孔提供的自由面效应会使应力波在控制孔附近发生应力集中,使裂隙朝控制孔方向定向发育。研究成果对松软高瓦斯煤体定向爆破增透有一定的参考意义。

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。

爆破载荷作用下煤厚变异区损伤破坏特征实验研究

针对地质构造区域爆破施工容易诱发煤与瓦斯突出的现实情况,建立煤岩组合弹性力学模型、根据爆炸应力波在煤岩介质中的传播与作用规律,分析了煤层变厚时原岩应力的分布特征、爆炸应力波在构造煤岩体中的传播过程,并结合相似模拟实验与数值模拟研究了爆破载荷作用下煤厚变异区的损伤破坏特征。理论分析表明,薄煤层区域承受的原岩应力高于厚煤层,且应力变化梯度随煤厚减小率的增大而增大,爆炸应力波由岩体传播至构造煤体时会发生波的透射和反射现象,反射形成的拉伸波将加剧煤岩交界面岩体侧的损伤程度;爆破模拟实验中采集得到的应力曲线,煤厚变异区岩体处的测点存在着2次较大的拉应力峰值,应力波在该处相互作用形成了叠加破坏区,破坏区同时又引导其余方向的爆生裂纹向其延伸汇集,导致岩体严重破坏。数值模拟验证了爆炸应力波在煤岩交界面上的透射和反射现象,应力云图表明应力波在煤厚渐变区的叠加作用最明显且延续时间长。研究成果对于揭示爆破扰动煤厚变异区诱发煤与瓦斯突出的机制有重要指导意义。

松软煤层水不耦合装药预裂爆破的力学特性数值分析

针对低透气性松软煤层瓦斯难以抽采的现实问题,进行了松软煤层水介质不耦合装药预裂爆破增透的研究。理论上,分析了水不耦合装药爆破在孔壁上形成的初始冲击波压力,并结合断裂力学计算得出煤体中形成的粉碎区和裂隙区范围。同时,利用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件,建立了水和空气不耦合装药的松软煤体爆破模型,进行了数值模拟对比分析。研究结果表明:水不耦合爆破后,松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优,采集到的应力曲线,水不耦合装药爆破后形成的压、拉应力峰值分别是空气不耦合装药爆破的3.71倍和2.58倍;水不耦合装药爆破改善了爆破效果,应用于低透气性松软煤层的预裂爆破增透中,能够有效提高煤层的透气性,抑制瓦斯动力灾害事故。

羊场湾易自燃综放工作面CO来源分析

针对羊场湾煤矿160205工作面CO气体异常及来源类型不清的问题,通过煤体深层钻孔测试、采空区温度与CO分布测试、工作面CO分布测试、煤的破碎实验、程序升温实验以及常温氧化实验综合分析工作面CO的来源。结果表明:羊场湾2#煤原始煤层中不含CO气体;煤在氮气氛围和空气氛围环境中破碎均能生成CO气体,并且随着破碎时间的延长产生的CO气体量呈现上升趋势;采空区遗煤温度低于50℃,工作面CO主要来源于采空区遗煤的低温氧化以及架后、工作面煤的常温氧化,其次为采煤过程中煤机切割破煤作业产生的CO气体。

Application of deep borehole blasting on fully mechanized hard top-coal pre-splitting and gas extraction in the special thick seam

In order to solve the problems of top-coal inadequate destruction and large amounts of gas emission in mining extra thick and hard coal seam,this study investigated the pre-splitting for deep borehole blasting and gas pre-draining technologies on top coal.The mechanism of the technologies was systematically expounded based on hard top-coal cracks development obtained by numerical simulation and theoretical analysis.The results show that explosive blasting in the hard rock results in a large number of cracks and large displacement in the rock mass due to the effect of explosion stress.Meanwhile,the thick top-coal caves,and desorbing gas flows along the cracks improve gas extraction.Finally,the pre-splitting for deep borehole blasting and gas pre-draining technologies was applied in No.3802 working face of Shui Liandong Coal Mine,which increases monthly output in the face to 67.34 kt and the drained gas concentration to 86.2%.The drained gas average concentration from each borehole reaches 40%,and the effect is remarkable.

切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板矿压与瓦斯综合防治试验研究

针对厚硬顶板导致高矿压、高位钻孔瓦斯抽采效果不佳的问题,通过爆破相似模拟试验与理论分析相结合的研究方法,对普通爆破与切缝药包爆破载荷作用下物模的宏观裂纹分布模式、损伤特征以及应变和应力的演化规律进行分析,对爆破弱化半径进行定量计算.结果表明:模型表面爆破裂纹分布差异显著;使用损伤度(D)及波降率(η)对岩石爆破损伤情况进行定量表征,发现切缝药包爆破比普通爆破造成的有效损伤范围更大;动态应变信号分析表明,切缝方向上应力波波阵面速度更快、强度更高,岩层受到的爆炸动载更强,测点的峰值应变及峰值应力均显著大于普通爆破.理论计算表明切缝药包爆破弱化半径(21.8 m)大于普通爆破(16.5 m),使用切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板可以保障巷道稳定性,并且更具经济效益.研究成果为解决厚硬顶板条件下的矿压与上隅角瓦斯综合防治问题具有一定的指导意义.

综掘工作面过硬岩正断层爆破方式优选实验研究

针对综掘正断层区域爆破弱化硬岩导致煤岩失稳的问题,采用室内模型实验,对比总结聚能爆破和普通爆破的裂纹扩展模式、应力演化规律及煤岩破坏特征,利用实验结果指导工程现场。研究结果表明:普通爆破中爆破孔与正断层上盘煤层连线区域内形成的裂纹密集区是煤与瓦斯突出危险区域,试块模型各检测面超声波平均波速下降26%,煤岩体破坏严重。聚能爆破中聚能方向1^(#)测点最大压应力峰值是普通爆破的1.72倍,是非聚能方向4^(#)测点的2.84倍,聚能方向裂纹定向扩展,试块模型各检测面超声波平均波速下降4.12%,聚能爆破在定向破岩的同时可以有效保护正断层构造区域煤岩体不受破坏。优选聚能爆破技术在正断层综掘现场的应用表明,使用聚能爆破技术弱化断层硬岩有效保证了巷道周边煤层及围岩的完整性,避免了构造区域爆破扰动煤岩诱发瓦斯突出灾害的问题,使巷道掘进得以安全高效进行。

高瓦斯低渗煤层控制孔与定向控制爆破复合作用增透试验研究

针对高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破裂隙不能较好的沿煤层方向扩展,爆破能量利用率低的问题,进行控制孔与定向控制爆破复合作用增透试验研究。根据爆炸应力波的传播规律,建立控制孔辅助作用下爆炸应力波传播的力学模型,将爆破后4组不同孔径控制孔与1组无控制孔的裂纹起裂及应力发展规律进行对比分析,得出爆生裂纹的扩展规律以及应力峰值的涨幅关系。利用自主搭建的爆破试验平台进行爆破相似模拟试验,结果表明,在裂纹扩展方面,当控制孔孔径过小,控制孔对裂纹导向作用较弱,爆破孔和控制孔之间平行于煤层裂纹不明显;随着孔径增大,控制孔对裂纹导向作用加强,双孔之间形成平直的贯通爆生裂纹,定向作用较为明显。应力方面,控制孔迎爆侧应力峰值随着孔径增大而增大,最大涨幅为40.4%;在控制孔背爆侧随着孔径增大应力峰值呈先增加后减小的动态趋势,即周围应力场随着孔径的增大会出现一个最大应力场。研究成果运用于高瓦斯低渗煤层定向控制爆破中,可以有效提高爆破能量利用率和煤层透气性。

含控制孔切缝药柱爆破增透松软煤层数值模拟研究

为了探明切缝药柱与控制孔耦合作用下的爆破增透效果,运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立了数值分析模型并求解,得到了切缝药柱装药爆破与控制孔共同作用下松软煤层增透的裂隙扩展及应力分布特征。结果表明:切缝药柱和控制孔耦合作用下的定向控制断裂松软煤层效果优于单切缝药柱的爆破效果。应力波传播到控制孔时发生波的反射叠加,爆生裂纹偏转现象显著,拉应力峰值上升,与远离控制孔的B、C、D 3点的拉应力峰值相比,靠近控制孔的E点的拉应力峰值分别是B、C、D 3点拉应力峰值的1.15倍、1.33倍和1.88倍。控制孔对裂隙扩展起导向作用,进一步促进了裂隙的发育和扩展。研究结果可为爆破增透松软低透气性煤层工程实践提供一定的理论依据和数据支撑。

深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征,在此基础上,对不同侧压系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究,并结合ImageJ图像识别软件和LS-Pre-Post软件,以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响;最后根据室内试验和数值模拟研究结果,给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明:地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力,从而抑制裂纹扩展;在非静水地应力条件下,与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱,导致该方向的裂纹扩展受到抑制,使裂纹优先向高应力方向扩展;双孔爆破数值模拟研究结果表明:侧压系数不为1时,爆生裂纹扩展呈现出方向性,主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展,造成爆破裂纹区域呈椭圆形,长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果,在深部煤层进行爆破致裂增透时,宜沿较大地应力方向钻孔,有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有指导意义。

深部高瓦斯低渗煤层定向聚能爆破裂纹扩展规律试验研究

针对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破有效致裂范围较小,爆破能量利用率低的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后利用自主搭建的爆破试验平台进行了有无地应力普通爆破及地应力下不同聚能方向爆破试验研究;最后将爆破后4组试块的裂纹扩展及应力发展规律分别进行对比分析,得出爆生裂纹的扩展规律以及应力峰值的涨幅关系。研究结果表明,在裂纹扩展方面,地应力的存在对煤岩体普通爆破裂纹的扩展起抑制作用,整体裂纹扩展范围较小且呈椭圆形分布;聚能方向与水平较大主应力方向一致时,有利于定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较大;聚能方向与竖直较小主应力方向一致时,在爆破初期因聚能效应裂纹沿聚能方向扩展,在裂纹扩展后期,受地应力影响垂直方向上煤岩体受到的切向压应力较大,制约了定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较小。应力传播方面,在无地应力与加载地应力普通爆破情况下,爆破孔周围应力呈下降趋势,最高降幅达39.1%;地应力下水平方向聚能爆破相对于普通爆破时,聚能方向的应力峰值提高了72.2%。研究成果运用于深部高瓦斯低渗煤层爆破中,可以有效提高爆破能量利用率和裂纹扩展范围,对瓦斯解吸具有积极意义。

定向聚能爆破弱化综掘工作面逆断层应用研究

针对综掘工作面过逆断层采用普通爆破预先弱化硬岩时巷道围岩和构造区域煤岩体的稳定性问题,通过理论分析和对比模拟实验研究爆破扰动逆断层构造带的突出原因,提出改变装药结构,采用定向聚能爆破的预防对策并进行现场应用。研究发现,爆破应力波传播到逆断层构造区域时,在煤岩交界面发生波的透射和反射,爆破振动的累积损伤使不同煤岩介质交界面的破坏最为严重,加大了煤岩体的损伤程度和破坏范围,为瓦斯动力灾害的发生提供了弱面,有利于突出的发生;定向聚能爆破可以使爆破作用集中在岩体方向,减少应力波对构造区域煤岩体的扰动;在本实验条件下,聚能方向的应力比普通爆破增加2倍左右,非聚能方向的应力减小约3倍。现场应用表明,采用定向聚能爆破后,综掘工作面坚硬岩石中的裂纹损伤扩展,达到了预先弱化的目的和综掘机破碎岩石的要求,工作面上方逆断层构造区域的煤岩体基本完整,为综掘工作面安全快速通过硬岩逆断层提供了保证。

煤与瓦斯突出机理分类研究构想及其应用探讨

针对目前各种地质和采动条件下突出发生的机理没有完全掌握,突出事故仍时有发生的现实背景,提出了煤与瓦斯突出机理的分类研究构想,在此基础上构建了爆破扰动构造煤岩突出的物理模型,分析了爆破应力波在3种不同爆破介质中的传播规律及其对构造煤岩的损伤破坏和瓦斯赋存状态的影响,并利用自主研制的气固耦合爆破试验装置进行了模拟实验。研究发现,'地质弱面体'为突出的发生提供了松软煤体、瓦斯赋存空间、异常应力和突出启动的弱面环境;爆破应力波从岩层或者原生结构煤层入射到'地质弱面体'会发生波的透射和反射,反射的拉伸应力波产生的拉应力集中分布在波阻抗发生变化的区域;'地质弱面体'加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致煤岩体裂隙增加,为瓦斯的流动提供通道,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。

超声波在煤矿井下环境中的传播与衰减特性

超声波的传播具有穿透性强、传播稳定、非接触的特点,使得超声波在测距和测流量领域获得研究和应用.为将超声波检测技术引入矿井风速测定领域,必须对超声波在矿井大气中的传播特性进行有针对性的研究.本文利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,系统的分析了超声波在煤尘-空气混合物中的传播和衰减特性.研究获得了超声波长与煤尘颗粒的关系表达式,揭示了煤尘的体积分数、煤尘粒径与超声波波长的比值以及煤尘粒径对超声波声速和衰减系数的影响关系.研究成果为研发新型煤矿井下超声波风速传感器提供了必要的理论基础.

构造带内巷道定向聚能爆破掘进围岩损伤特征试验研究

为了解决传统的钻眼爆破掘进巷道法在围岩中形成的裂纹无序扩展,遇到构造带时极易诱发动力灾害的现实问题,开展构造煤岩层内巷道掘进定向聚能爆破破岩技术研究。根据聚能爆破的空穴效应和能量转移原理,建立聚能爆破的岩石断裂力学模型,将聚能爆破与普通爆破的裂纹起裂及扩展规律进行对比分析,得出聚能爆破与普通爆破形成的粉碎区以及应力峰值的倍数关系。搭建可模拟地应力与瓦斯压力的爆破试验平台,通过普通爆破和聚能爆破的相似模拟对比试验发现,聚能爆破在聚能方向上形成的粉碎区是普通爆破同方向的0.838倍,应力峰值是普通爆破的1.58倍,爆生气体的静力学作用时间对比普通爆破,在聚能方向上延长了300μs,非聚能方向上缩短了250μs。同时,进行聚能爆破掘进的现场应用,巷道周边眼采用聚能装药后,超欠挖率减少了近50%。研究表明,聚能爆破使聚能方向的裂纹扩展范围增大,非聚能方向的裂纹扩展范围减小,运用于掘进构造带中的巷道时能够提高爆破效率,降低对支护围岩体和构造煤体的损伤破坏程度,抑制由爆破掘进诱发的瓦斯动力灾害事故。

三维加载密封装置研制及煤厚变异区突出模拟试验分析

复杂性岩土工程问题目前尚难以用理论研究方法或数值模拟方法得到准确解答,采用物理模型试验研究方法可较好的弥补上述难题,国内外学者对物理模型试验和三维液压加载装置进行大量的研究。针对小尺寸的装置很难考虑和涉及地质构造因素的影响,大尺寸三维液压加载装置的箱体密封困难等问题,自主研制大型真三维液压加载密封试验装置,装置反力框架整体尺寸为4300mm×3580mm×3150mm(长×宽×高),试验加载箱体外形尺寸为2050mm×1400mm×1300mm,箱体为三向真三轴面加载密封箱体,可进行10MPa地应力及3MPa高压气体条件下煤岩样真三轴加载试验。同时,利用该装置进行煤矿井下巷道掘进过程中,遇到煤厚变异区的煤与瓦斯突出相似模拟试验,研究揭煤过程中瓦斯压力、煤岩应力和温度的变化规律。充气过程中,煤体吸附瓦斯放热使煤层内的温度升高;突出发生前,位于煤厚变异区的应力值较大;突出发生的瞬间,高速气流携带破碎煤岩疾速喷出,突出点附近的瓦斯压力迅速下降;突出发生后,瓦斯解吸和对外膨胀做功使煤层内的温度下降,煤厚变异区构造带附近的温度变化最为显著,下降最大可达7.3℃。顶底板煤岩交界面的应力同时急剧下降,煤厚变异区产生了较高的应力集中,应力值存在短暂升高的过程,最大值达到了1.4MPa,突出煤粉质量比为34.75%。最后,根据试验结果对煤厚变异区突出过程进行能量分析,实验结果符合煤与瓦斯突出的能量失稳判据,揭煤外力扰动会直接或者间接诱导煤与瓦斯突出发生。

高地应力下岩体控制爆破机理与损伤演化特征研究

为研究高地应力作用下深孔控制爆破损伤情况及裂隙演化规律,以淮南潘三矿深孔松动控制爆破瓦斯增透为工程背景,通过对控制孔导向、应力波传播及地应力下控制孔周围岩体应力理论分析和数值模拟,结合岩石爆破裂隙分形维数,探讨了高地应力对岩体控制爆破裂隙的演化影响。结果表明:控制孔对爆生裂纹的扩展有一定的定向效果,但深部矿区处所受高地应力会影响该定向效果。当控制孔与爆破孔的连线方向与最大主应力方向一致时,爆破定向效果达到最佳;刚起爆时,控制孔为爆破孔提供自由面,降低最小抵抗线;随着地应力的影响,裂纹扩展方向沿最大主应力方向进一步促进爆破孔与控制孔之间的岩体损伤。最后,通过分析不同地应力状态下爆破裂隙的演化情况和分形维数,建立了裂纹分形维数D与损伤量w的预测模型,能较好地预测高地应力下岩体的损伤程度。