基于光滑粒子流方法的双向聚能张拉爆破数值模拟

为了研究聚能角度对双向聚能张拉爆破的影响,首先,从双向聚能张拉爆破的原理出发,分析其断裂力学机理;其次,引入Johnson-Holmquist本构模型探究岩石的动力损伤特征;第三,运用光滑粒子流方法对双向聚能张拉爆破过程进行数值计算,再现60°,90°和150°聚能角度下的聚能爆破裂纹扩展过程,获得对应聚能角度下岩石损伤发展、粒子分布、应力分布及裂纹扩展的规律;最后,通过现场爆破试验验证其可行性和实用性。研究结果表明:在上述3种聚能角度下,双向聚能张拉爆破均能实现聚能方向上定向裂纹的形成和贯通,虽然存在次生裂纹,但是并不影响定向裂纹的形成和发展;聚能角度越小,聚能方向裂纹扩展的偏移角度越大,即双向聚能张拉爆破的定向预裂精度越差;在定向开裂过程中,炸药粒子以“气楔”作用的形式促进了裂纹在宽度和长度上的扩展。现场爆破试验结果证明了双向聚能张拉爆破具有优良的定向预裂效果。

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。

双向聚能拉张成型爆破工艺的研究与应用

光面爆破技术在煤矿岩巷掘进中取得了广泛应用,但由于受其本身原理的制约,爆破设计参数的不合理性,以及钻爆施工操作等因素的影响,存在着周边眼控制质量差、超欠挖过大、眼痕率过低、爆破效果差等问题。采用双向聚能拉张成型爆破工艺,不仅可以提高巷道成型质量,减轻爆破对围岩的破坏,使周边眼痕率达到85%以上,而且还可以提高循环进尺,减少辅助工序时间,降低单位成本。

双向聚能张拉成型爆破技术研究

本文通过对双向聚能张拉成型爆破力学模型进行受力分析,利用聚能孔控制爆炸冲击方向,将冲击波与应力波集中释放,优先作用于聚能孔附近形成裂隙,使岩体裂隙按指定方向发育,实现精准爆破控制。

坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术

为在坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷时取得较好预裂爆破效果,通过现场试验和分析,采用合理的双向聚能张拉爆破技术,对巷道顶煤强度较小、直接顶较软弱、基本顶坚硬的复合顶板进行了有效的预裂爆破。结果表明:对于软弱岩层,爆破能量易沿孔壁原生裂隙发生冲楔作用,聚能效果较差,深12 m的炮孔内裂缝长度只有1.2 m,并且孔口易出现爆破漏斗,对巷道原有支护造成破坏;对于坚硬岩层,随着装药线密度增大,聚能方向裂缝率逐渐增大,当单个炮孔装药量为7卷、药卷长度和空气柱长度的比值为3.348、填塞位置位于坚硬岩层时,普氏系数为12的中砂岩段炮孔内沿预裂方向全部产生张拉裂缝,裂缝长度达5 m,裂缝率达100%。因此,对于坚硬软弱复合复合顶板,使坚硬岩层沿预裂方向产生有效的裂缝,软弱岩层自行垮落,能够取得满意的预裂效果。

破碎顶板切顶留巷采空区顶板垮落特征试验研究

垮落带内含有的坚硬厚砂岩冒落性差,易在沿空留巷实体煤帮的支撑下形成三角板结构,随着上覆岩层的断裂和应力传递,造成沿空巷道采动压力影响剧烈。基于禾草沟二号煤矿1105工作面厚砂岩顶板设计10种不同间距切顶钻孔试验方案进行现场试验,并在相应区域对沿空侧采空区岩层垮落特征进行监测。试验表明,在未爆破区域和爆破区域,采空区顶板岩石垮落时间随炮孔间距的增大而增大,爆破区域沿空侧采空区垮落矸石充填满巷帮时间为非爆破区域的0.4倍,沿空巷道稳定速度更快。在未爆破区域和爆破区域中,沿空侧巷帮垮落矸石块度随切顶钻孔间距的增大而增大,未爆破区域垮落矸石块度最大为1.33 m,爆破区域垮落矸石块度最大仅为0.36 m。在设计方案中,巷道顶板压力与巷道顶底板位移均随切顶钻孔间距的增大而增大,相同间距钻孔,爆破区域巷道顶板压力与巷道顶底板位移均明显小于非爆破区域。根据试验结果,在设计方案中,钻孔间距400 mm、间隔爆破时,切顶效果较好,沿空侧采空区顶板冒落性好、接顶速度快、沿空巷道动压显现较弱。

和草沟煤矿50104工作面回风巷预裂切顶卸压技术应用

禾草沟煤矿50104工作面回风巷经历了临近50102工作面和50104工作面二次回采动压影响,工作面超前支承压力影响区域内巷道变形严重,影响工作面机尾支架推移和上端头的通风行人。为降低工作面回采影响,在回风巷道顶板实体煤侧实施双向聚能拉张成型爆破,切断与50104工作面顶板的力学联系,降低巷道超前支承压力和底鼓程度。工程实践结果表明:实施超前聚能爆破后,超前工作面10m处巷道围岩顶底板移近量和两帮移近量分别减小35.80%和58.12%。