预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散-连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明:预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比,贯入力峰值降低了44.0%~10.3%。侧向力峰值降低了35.2%~6.5%。预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变。最终,确定了切缝距离为70~90 mm,深度为60~80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2%。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

切缝药包参数对切缝效果的影响研究

结合数值分析,对比了切缝药包与普通药包作用下孔壁应力特征及爆生裂纹扩展规律。从应力、裂纹扩展角度分析装药不耦合系数、切缝宽度、切缝管厚度对岩石切缝效果的影响,给出合理的切缝药包参数。研究成果可应用于煤矿岩巷、隧道和边坡等爆破工程。

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了一个线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值(L-H)线性线性相关。

基于SHPB的切缝药包防护特性研究

为探究定向断裂控制爆破中切缝药包对围岩的防护特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验对用药包材料制成的垫片防护下的花岗岩试块进行冲击,分别研究垫片与岩石间距、垫片材料和厚度因素对围岩防护效果的影响,分析在高速冲击下岩石的破碎情况和应力峰值,并建立多个切缝药包单孔爆破数值模型,通过对比不同情况下围岩损伤而进一步揭示切缝药包对围岩的防护特性机理。研究结果表明:岩石在强冲击荷载作用下严重破碎,当采用外壳垫片防护后,岩石的破碎程度有所降低。相同垫片厚度和垫片与岩石间距离固定的情况下,PVC外壳垫片防护效果要优于ABS外壳垫片。随着垫片厚度的增加和岩石与垫片间距的增加,岩石受损程度逐渐减弱,且增加垫片厚度对岩石的防护效果要优于增加岩石与垫片外壳间距的防护效果,研究成果可为控制爆破提供技术参考。

隧道同断面周边孔切缝聚能药包光面爆破的试验方案设计

通过深入研究聚能水压新型光面爆破施工技术的机理、作用及目的,并详细分析了其技术要点,与常规的光面爆破技术进行了比较。试验方案特别关注了切缝聚能药包光面爆破的应用。研究表明,采用切缝聚能装药结构能够显著提高周边孔光面爆破的开挖质量。这不仅降低了施工成本,还加快了隧道的掘进速度。在面临隧道围岩破碎的复杂情况时,切缝聚能光面爆破技术相较于传统爆破方法展现出了显著的优势。

无切缝水泥混凝土路面的工程应用

为克服普通水泥混凝土路面普遍存在的脆性开裂及切缝处错台、拱起、唧泥等病害,提出基于高延性LSECC材料的无切缝水泥混凝土路面方案,并以某高速公路收费站广场路面为例,展开LSECC材料配合比设计、LSECC延性段长度确定及锚固参数设计;在得出相关施工参数值的基础上,对广场无切缝水泥混凝土路面施工要点进行研究。结果表明,在混凝土路面中增设LSECC延性段,可较好吸收两侧路面板变形,避免路面出现宏观裂缝;还能有效传递交通荷载,优化受力过程,增强路面整体性、耐久性。

荣康煤业复合顶板切缝钻孔深度设计与应用

为配合110工法在11004工作面的顺利应用,荣康煤业拟在11004工作面轨道顺槽采用“切顶卸压+恒阻锚索”支护技术方案。针对11004工作面K_(2)灰岩、9^(#)煤层和泥岩复合顶板实际,通过理论计算与数值模拟,确定了定向爆破预裂切缝的钻孔深度,设计了11004工作面2个区段的切缝深度方案。现场应用结果表明,预留巷道切顶效果良好,可满足下一工作面的使用要求。

缓倾斜煤层无煤柱切顶成巷切缝角度及位置研究

切顶卸压自成巷无煤柱开采是综采工作面实现连续生产、快速衔接、提高煤炭采出率的重要采煤工艺,能有效避免矿井发生重大地质灾害事故,是煤矿可持续发展的方向之一,其中切缝关键参数对留巷围岩稳定性具有较大影响。为控制工作面开采后沿空留巷围岩的变形量,保证巷道结构的稳定性,以青云煤矿020201工作面为工程背景,分析其缓倾斜煤层切顶成巷特点,提出两种切缝角度确定方法,同时结合现场生产条件研究了切缝位置对切顶卸压沿空留巷稳定性的影响。研究结果表明:切缝角度及切缝位置的选择影响留巷顶板的运移特征,依据岩层垮落角确定了2.7°切缝角度,并得出在挡矸墙采空区侧进行切顶时,切缝可切断采空区顶板压力向留巷上方传递荷载的路径,弱化了顶板断裂活动对留巷的影响,有利于实现留巷围岩控制的目的;现场矿压监测结果表明,在采动作用下,采用合理的锚网支护可形成稳定结构,切顶卸压效果明显,对于切顶成巷技术在缓倾斜煤层开采中的推广应用具有借鉴意义。

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.

厚煤层综放开采切顶留巷切缝参数优化研究

针对厚煤层综放开采切顶卸压沿空留巷切缝参数研究缺乏的问题,使用二维离散元软件UDEC进行模拟,采用控制变量法,通过分析不同切顶高度和切顶角度组合下的巷道顶板位移、实体煤侧应力集中程度,得出切顶高度17 m和切顶角度13°组合下的卸压效果最佳:采空区顶板垮落更充分,很好地弱化了开采动压对巷道的影响,使得巷道围岩应力和顶板竖向位移最小,巷道周边压力集中程度降低,提高了巷道整体的稳定性。研究成果为厚煤层综放开采切顶卸压沿空留巷技术的成功应用提供了基础。

基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破研究

针对岩巷中深孔掏槽爆破效果差的问题,设计了基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破方案。首先从理论上分析定向预裂对槽腔形成的影响,然后开展掏槽爆破数值模拟揭示槽腔岩体的破坏历程和破坏机制,最后通过现场试验探究其应用效果。结果显示:预裂孔中的切缝装药爆破后沿预裂孔连线会形成定向预裂面,定向预裂面具有自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应,能够促使槽腔岩体充分破坏以形成易于抛掷的岩块,且定向预裂面可以降低成腔阻力,有利于掏槽孔爆破成腔;数值模拟实现了槽腔岩体破坏过程的可视化,通过模拟结果证明了定向预裂面的自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应;相比于现有普通中深孔掏槽爆破技术,在岩巷中深孔爆破采用该掏槽技术时,平均循环进尺增加了0.29 m,平均炮孔利用率提高了11.6%,平均炸药单耗降低了0.19 kg/m^(3),平均雷管单耗降低了0.13发/m^(3),结果验证了此新型掏槽技术在岩巷中深孔爆破的适用性。

切缝间距对环向切缝管气隙聚能效应的影响

为研究切缝间距对环向切缝管气隙聚能效应的影响,利用ANSYS/LS数值仿真软件建立5种不同切缝间距的聚能爆破模型,并用钢板试验对模拟结果进行验证。研究结果表明:切缝间距是影响环向切缝管气隙聚能射流形成和作用效果的主要参数之一。若环向切缝间距过小,初始裂纹会过于密集,且会消耗气体射流在岩石上的能量;若环向切缝间距过大,环向切缝变宽,则导致能量不集中;当环向切缝间距为4 cm时,数值模拟结果和钢板试验结果均表明该工况的平均刻痕深度最大,爆破效果最好。

切顶卸压切缝参数设计与巷道围岩应力演化规律研究

针对强采动影响下切顶卸压护巷效果不佳的问题,以长平煤矿5302回风顺槽预裂爆破切顶卸压为工程背景,利用3DEC离散元数值模拟软件,生成不同曲率半径的切缝,对其护巷效果与巷道围岩应力演化规律进行研究,并将切缝为曲率半径16 m的模拟结果与切缝为直线的模拟结果进行对比。结果表明,相较于直线切缝,当切缝为曲线时,顶板下沉量与底鼓量分别减小了30.9%和28.57%,实体煤帮与煤柱帮变形量分别减小了45.03%与28.6%,实体煤帮与煤柱帮垂直应力峰值分别减小了24.88%与24.47%。当切缝为曲率半径16 m的曲线时,巷道上覆岩层垮落堆积的岩体能够与煤柱形成较好的承载体系,有效地切断了采空区上覆岩层与巷道顶板之间的力学联系,改善了巷道的围岩力学环境。

侧向环形切缝装药爆破效应及其在硬岩掏槽中的应用

针对硬岩巷道掏槽效果差的问题,提出了侧向环形切缝装药以提高槽腔内侧的破岩能力,理论分析了该装药的爆破效应,通过模型实验讨论了该装药爆破以后爆炸应变和爆生裂隙的分布特征,并开展现场试验探究了该装药的应用效果。结果显示:侧向环形切缝装药在切缝位置会形成聚能效应,促使切缝位置处岩体承受更强爆炸载荷,从而具有更强的裂隙扩展能力。侧向环形切缝管的存在会降低非切缝方向爆炸应变和提高切缝方向爆炸应变,应变分布特征证明了侧向环形切缝装药在切缝方向的聚能现象;并且通过观测宏观裂隙扩展情况,侧向环形切缝装药在切缝方向的裂隙扩展能力得到了明显提高。与常规柱状装药掏槽爆破技术相比,在硬岩巷道采用侧向环形切缝装药掏槽爆破技术可以提高掘进效率和减少掘进成本,结果验证了侧向环形切缝装药在硬岩巷道掏槽爆破中具有良好适用性。

环向切缝管聚能射流的数值模拟

为了研究环向切缝管装药爆炸时爆轰产物粒子的运动演化过程,采用光滑粒子流体动力学与有限元(SPH-FEM)耦合算法构建了环向切缝管爆破模型,在炸药上设置高斯点锁定不同位置的SPH粒子,观察分析不同粒子的运动速度、轨迹及岩体损伤过程。数值模拟结果表明:切缝与不切缝位置的爆轰产物粒子的运动形态存在显著差异,环向切缝中部与其端部以及非切缝段处均存在明显速度差。这种差异将在岩体中产生复杂应力场,有效促进被爆岩体的破坏。数值模拟研究结果验证了环向切缝管壁上的环向切缝能有效地调制爆轰波波形,进而通过切缝管狭缝的气隙聚能效应控制并会聚爆轰产物的流向与爆炸能量的定向释放,形成有别于传统空穴装药聚能效应的狭缝气隙聚能效应。

高压水射流前方切缝辅助TBM滚刀破岩试验研究

为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。

切顶卸压自动成巷无煤柱开采切缝钻机关键技术

为解决切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔成孔效率低、钻孔角度调节偏差大、钻孔保直率差等问题,研制了ZDY2-300LM型切缝钻机,研究了切缝钻机的结构布局、车体平台、调角装置、施工钻具、水路系统和液压系统的关键技术和设计要点。进行了空载试验和负载试验,型式试验结果表明钻机各项指标满足设计要求。进行了3个煤矿井下试验,钻孔累计进尺近50000 m,井下试验结果表明:钻机满足切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔施工要求,并取得了良好的切顶卸压效果,有效解决了顶板预裂钻孔施工缺乏专用、可靠设备难题;且钻机具备施工作业高效、钻孔间距调节范围广、钻孔角度参数调节多,机身窄小及较好的钻孔保直率等显著特点。

通过整体叶盘切缝的振动抑制方法初探

针对航空发动机整体叶盘设计在进一步降低发动机质量、减少连接件复杂性的同时,也带来阻尼不足引起的振动问题,首先,提出了一种基于叶盘切缝并辅以填充物的方法,使系统在振动过程中产生非弹性碰撞能量损耗以及填充材料的阻尼损耗,从而为整体叶盘振动提供额外的阻尼;其次,建立了切缝整体叶盘与切缝填充后的时变参数动力学简化模型;最后,分别从仿真与实验的角度对切缝整体叶盘与切缝填充后的自由振动响应进行了分析,并利用希尔伯特变换法,识别了整体叶盘结构的瞬时频率以及瞬时阻尼比。结果表明,整体叶盘切缝的碰撞与填充物可以增加系统阻尼,能够起到抑制振动的作用。

环向切缝药包爆破块度分布特征及其机理研究

为研究环向聚能作用对爆破块度的改善效果,采用标准混凝土试块开展了环向切缝药包爆破与常规爆破试验。对两种不同爆破方式得出的爆破块度进行了筛分统计,试验结果表明:相同装药量下环向切缝药包爆破得到的平均块度和大块率较低;与常规爆破相比,环向切缝药包爆破平均块度可降低2~15 mm,大块率可减少0.66%~30.74%。针对环向切缝药包爆破时,其减小平均块度的程度随装药量的增加出现先增加后降低现象,选取3种典型药量(4、10和14 g)构建了数值模型进行裂纹扩展特征分析,对比了切缝药包爆破时切缝处孔壁爆破压力与常规爆破时相应位置的爆破压力。结果表明:常规爆破时孔壁裂纹均匀向外发展,且裂纹长度基本相同;环向切缝药包起爆后,在切缝与非切缝交界处先形成裂纹并扩展,其他位置的裂纹后形成且长度较短。对切缝处孔壁的爆破压力进行模拟分析,结果表明:3种不同药量情况下环向切缝药包与常规爆破的压力峰值之差分别为0.62、1.25和0.41 GPa,从应力分布角度解释了环向切缝药包可通过改变爆破能量在被爆体内的分布规律进而降低爆破块度的作用机理。

切缝宽度对药包爆炸效应影响的动光弹试验

为了解切缝宽度对切缝药包爆炸聚能效应的影响,用动态光弹性法对不同切缝宽度的切缝药包的爆炸过程进行了试验,获得了切缝药包爆炸过程中的序列等差条纹图。通过对条纹图和动态应力集中系数的分析比较,得到了爆炸初期沿切缝方向的最大剪应力的回归曲线和公式,明确了切缝宽度对切缝药包爆炸效应影响的规律,即切缝宽度越小,聚能效应越明显,破坏威力也越大。