Numerical simulation and experiment analysis of improving permeability by deep-hole presplitting explosion in high gassy and low permeability coal seam

Created a new damage model for explosive for LS-DYNA3D,taking advantageof the Taylor method aimed at the high gassy and low permeability coal seam,and numericallysimulated and analyzed the deep-hole presplitting explosion.The entire processof explosion was represented,including cracks caused by dynamic pressure,transmissionand vibration superposition of stress waves,as well as cracks growth driven by gas generatedby explosion.The influence of the cracks generated in the process of explosion andthe performance of improving permeability caused by the difference of interval between.explosive holes were analyzed.A reasonable interval between explosive holes of deepholepresplitting explosions in high gassy and low permeability coal seams was proposed,and the resolution of gas drainage in high gassy and low permeability coal seam was putforward.

综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术

工程实践表明,顶板事故在煤矿各类事故中占首要位置,已严重制约了我国现代化矿井安全高效开采。为了实现煤矿综采面坚硬顶板的安全治理,亟需形成综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术以有效解决因工作面大空间坚硬顶板垮落而影响安全生产的重大难题。基于此,通过自主创新和联合攻关,面向深部矿井坚硬顶板,开展了综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危技术研究;研发了高威力三级煤矿许用水胶炸药、填塞材料等技术与装备,形成了成熟的深孔爆破工艺,突破了厚硬顶板爆破中煤矿许用炸药威力与安全度的矛盾,解决了超深孔爆破中炸药可靠起爆等技术瓶颈问题;通过构建大空间采场覆岩-支架-围岩系统力学模型,揭示了采场大小周期来压及强矿压作用机理,提出了大空间采场厚硬覆岩多层位精准定位爆破弱化控制原理和基于爆破损伤的综采工作面厚硬顶板深孔爆破参数设计方法,形成了综采工作面厚硬顶板超前深孔卸压控制技术。研究成果在全国近百个综采面进行工程应用,未发生一起顶板事故,避免了综采面厚硬顶板发生压架、形成飓风、矿震等重大安全事故的风险,保障了综采面的安全高效生产,为综采面坚硬顶板远场解危的设计提供了理论依据并为现场施工提供了指导作用。

节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟

运用有限元软件AUTODYN 2D计算爆炸荷载与离散元软件UDEC模拟节理岩体相结合的方法研究了节理几何特征对预裂爆破的影响。通过计算可知,预裂爆破时炮孔间的节理组对预裂成缝的影响明显,当节理法线与炮孔连线夹角在一定范围内时,预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直,其中当节理组与炮孔连线夹角为90°时成缝效果最好,裂缝与炮孔连线基本重合,与理论分析较一致;节理间距对预裂爆破有较大影响,相同条件下节理间距越小,越难形成连通裂缝,减小炮孔间距有利于小节理间距情况下的预裂缝贯通。

节理角度对预裂爆破成缝效果的影响研究

预裂爆破的现场实践表明,诸如节理、软弱夹层和断层等地质不连续面是影响预裂爆破效果的一个重要因素。运用LS-DYNA 3D程序研究了不同角度的节理对预裂爆破效果的影响。通过数值模拟发现,岩体中节理的存在对预裂爆破效果影响显著,其吸收应力波能量并阻碍应力波的传播,且影响预裂缝产状。研究结果表明,节理附近的预裂缝大多沿节理垂直方向开裂,逐渐与被破坏节理连接,节理夹角较小时,易形成锯齿状裂缝,且较难贯通。随着节理与炮孔连线夹角的增大,应力波在节理处的透射率越大,节理附近位置上的质点振速也越大,预裂缝更趋于平直且更易贯通。当节理垂直炮孔连线时透射率最大,所形成的预裂缝与炮孔连线基本重合,不会出现锯齿形裂缝,相对成缝效果最佳。

爆炸荷载下含预裂缝的裂纹扩展实验研究

预裂爆破技术目前广泛应用于爆破工程中,为了探究预裂爆破形成的预裂缝对爆生裂纹和原生裂纹动态断裂特性的影响,基于数字激光动态焦散线实验开展了一系列研究,获得了裂纹扩展的时实动力学参数。研究结果表明:预裂爆破形成的预裂缝可以阻挡爆生裂纹向保留岩体内扩展,加大被爆岩体的损伤;其两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展,且扩展长度随着预裂缝长度的增加而增大;长度较短的预裂缝(L=20～80 mm),对保留岩体内原生裂纹扩展有促进作用,只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用,预裂缝A长度L=100 mm时,其B裂纹扩展长度为无预裂缝A模型时的21%,Bz和By扩展速度均值为无预裂缝A时的0和64. 8%;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端翼裂纹的起裂时间随着预裂缝长度增加而增加,当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),迎爆侧翼裂纹没有起裂,By起裂时间推迟到和无预裂缝时一样的150μs;原生裂纹迎爆侧翼裂纹断裂韧度小于背爆侧断裂韧度;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端起裂韧度均小于无预裂缝时的起裂韧度,且随着预裂缝长度增加迎爆侧翼裂纹起裂韧度降低;原生裂纹两端应力强度因子峰值随着预裂缝长度增加而减小。

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.

煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔爆破中的研究与应用

针对高瓦斯低透气性煤层,从理论上探讨了煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔中爆破时,炸药爆炸冲击波初始峰值压力和传播到孔壁处的入射压力以及孔壁煤面上的透射冲击压力。建立了炮孔周围煤体中的动态应力场,分析了爆源区径向裂隙区的形成和扩展半径。最后将裂隙区半径应用于煤层爆破孔和抽采孔布置参数设计,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破孔和瓦斯抽采孔的合理间距,并进行工程实践。结果表明该方法为高瓦斯低透气性煤层增透,进而为解决煤层瓦斯抽采提供了一条有效的解决方案。

基于DIC技术的预裂煤岩体裂隙演化特性研究

为了研究煤岩体裂隙网络结构以及表面裂隙演化发展过程,开展了基于采动煤岩体应力路径的三轴加载试验,在应力刚超过峰值应力时停止加载,得到采动应力作用下的预裂煤岩体;然后引入数字图像相关(DIC)技术,并继续单轴加载,观察和记录裂隙演化发展过程;并结合分形几何,计算出不同加载阶段煤岩表面裂隙的分形维数。研究结果表明:在真实采动应力路径下,受围压释放的影响,煤岩承载能力下降超过40%;由于裂隙面的粗糙度不同以及煤岩体非均质性和原生缺陷等,预裂煤岩体除了沿预裂裂隙面继续变形破坏外,还会产生新的次生裂隙;在单轴压缩条件下,预裂煤岩体表面裂隙分形维数由1.12增长到1.60,裂隙演化的整体趋势为缓慢→快速发育→平稳。

煤层预裂爆破复合型宏观裂纹扩展的断裂理论分析

以断裂力学理论为基础,分析了煤层宏观裂纹所处的应力场分布特性和应力强度因子,按照最大周向应力原理确定了裂纹扩展方向、断裂准则和扩展长度。结合工程应用实际情况,得出了爆破孔周围宏观裂纹扩展的最大长度和最小长度。

岩巷预裂成缝机理的理论探讨

在充分考虑岩体损伤、地层压力影响的基础上，运用损伤和断裂理论，结合预裂成缝的三个阶段：开裂、扩展和止裂，系统分析了预裂成缝的机理。研究表明，岩体的损伤和地层压力作为岩体成缝的影响因素不容忽视，预裂成缝是应力波和爆生气体综合作用的结果。

深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究

水介质预裂爆破时水中的冲击波可认为是炸药中爆轰波的透射波,采用等效球药包叠加理论来求解水介质预裂爆破柱状装药的应力波参数,炸药爆炸时在岩体内某一点产生的应力值可由所分解成的多个单元球药包产生的各应力分量叠加求得。水介质预裂爆破预裂缝的形成经历开裂、扩展、止裂3个阶段,是应力波和水介质准静态压力联合作用的结果。

预裂缝充水环境下减振效果研究

为研究预裂缝充水对减振效果的影响,运用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型,对有、无预裂缝及预裂缝充水高度不同的台阶爆破进行了数值模拟,获得预裂缝后质点峰值振动速度。对比分析不同情况下的预裂缝后质点峰值振速,结果表明:预裂缝充水小于0.2倍预裂缝深度时,充水对减振效果影响小,减振率降低约3%,预裂缝后质点峰值振速衰减符合指数关系;预裂缝充满水时,充水对减振效果影响大,减振率降低约30%,预裂缝后质点峰值振速衰减符合萨道夫斯基公式。因此,工程实际中应避免预裂缝中大量充水。

炮孔水压预裂爆破的实验研究

介绍了水压预裂爆破的实验研究和爆炸应变场的近区测试结果。采用应变砖作为传感器，用动态分析仪作为分析处理设备。实验对比分析了空气不偶合装药、普通水不偶合装药及预加不同静水压力的水不偶合装药爆破效果。结果表明，水作为不偶合介质能提高爆生气体压缩作用产生的准静态应力场的作用时间，预加一定的静水压力对孔壁初始裂纹的产生起导向作用，从而只在炮孔连线方向产生初始裂纹。炮孔水压预裂爆破能量利用率高，爆破效果好，因此可获得更好的成缝质量和裂面质量。

预裂爆破在水布垭枢纽趾板开挖中的应用

趾板开挖采用预裂控制爆破技术,通过搭设钻机作业的钢管架和间隔不耦合装药结构,严格控制钻孔方向、倾度和单孔装药量,避免了建基面出现欠挖和超挖量过大现象,预裂缝的形成降低了爆破震动影响,经爆破后检查,岩体完整性良好,无爆破裂隙,坡面不平整度均小于15cm,残留炮孔痕迹分布均匀,保存率超过85%,爆破效果良好,确保了趾板开挖质量优良,提高了经济效益。

益新矿切顶卸压切缝参数优化研究

以益新矿北一石门43073工作面为研究对象,实验研究切顶卸压沿空留巷定向预裂切缝。分析工作面回风巷顶板破碎且出现伪顶的特点,通过理论计算和已有工程经验确定了切缝角度、切缝高度和切缝间距,引进定向预裂切缝技术。现场实施多组不同装药结构爆破实验,对比钻孔窥视图像结果表明,当采用4+3+2+1装药结构时,爆破效果最佳,孔内裂缝明显,裂缝率超过70%,对采空区的顺利垮落起到关键作用。该研究成果在现场实际工程中的成功应用对类似工程地质条件下切顶卸压沿空成巷技术的推广具有重要意义。

中心致裂掏槽岩塞爆破设计与实践

水下岩塞爆破是高效、安全地联通水库、江河、湖泊等水工隧洞进水口的关键技术。通过查阅文献,梳理了钻孔法岩塞爆破技术的发展历程,对钻孔法岩塞爆破工程实践进行分析总结,提出了“中心致裂掏槽法”,给出了相应的炸药单耗、轮廓孔爆破线装药密度等关键爆破参数的计算公式,并在长甸改造工程及桓集隧道工程中取得了成功的应用,形成了一套完整的“中心掏槽、圆周扩展、轮廓成型”的设计方法。研究成果对钻孔法岩塞爆破设计与施工具有指导意义和借鉴作用。