煤层深孔控制爆破作用机制研究

为有效应用深孔控制爆破技术防治煤与瓦斯突出等事故,首先利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有控制孔和无控制孔2种数值模型,进行煤层爆破数值模拟;其次在实验室建立有控制孔和无控制孔2种物理模型,开展爆破模拟试验;然后通过理论分析爆炸应力波入射控制孔的反射规律,揭示深孔控制爆破控制孔的作用机制。数值模拟、爆破模拟试验和理论分析等研究共同表明:增设的控制孔在煤层深孔控制爆破中将入射的压缩应力波反射为拉伸应力波而产生拉伸作用,有明显的控制导向作用和对其他方向裂隙发育的抑制作用。     

爆炸应力波在层状节理岩体中的传播规律试验研究

为了研究爆炸应力波在岩体中的传播规律,基于相似理论,开展了爆炸应力波在层状节理岩体中衰减的实验研究。研究表明,节理阻碍 应力波的传播且存在各向异性;对于垂直或小角度入射节理的应力波,在垂直方向和纵向的衰减很明显并且幅度较大,在横向衰减不明显;对 于斜入射节理的应力波,横向和垂直方向没有明显的衰减,纵向的衰减很明显并且幅度较大;应力波的合成峰值速度与炮孔密集度之间的关系 密切,当炮孔间距超过一定距离时,实际测得的速度时程为最近药包爆破产生的应力波,并非总药量产生的应力波的叠加。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况，采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验，采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下，背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%；一定角度范围内，峰值应力随偏转角度的增大而减小，偏转角度为0°时峰值应力最大，偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%，峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%；正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹，裂纹发育优于其他方向，且切缝方向没有明显的细小裂纹，这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

不同地应力条件下直眼掏槽破岩的理论研究与数值模拟

为了研究不同地应力场对直眼掏槽破岩的影响,提出了基于Schwarz交替迭代法和弹性力学理论建立的掏槽区岩体的应力状态方程,同时对不同地应力条件下单孔直眼掏槽破岩过程进行了数值模拟。结果表明:在炸药爆炸前期和中期,初始地应力场对结果影响较小,主要是槽孔爆炸应力场起主导作用,在爆炸后期,初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用,裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向。进一步分析表明,岩体在初始地应力场与爆炸应力场共同作用后,在空孔和槽孔圆心连线上产生最大拉应力,并且在不同地应力条件下最大拉应力模拟值的发展趋势与理论计算较为一致。     

深埋突出煤层深孔控制爆破致裂机理和防突效果研究

基于理论分析和数值模拟,探究深孔控制爆破技术在深埋低透高瓦斯煤层防突方面的适用性。考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力、煤层地应力对裂隙的作用。研究深埋低透高瓦斯煤层深孔控制爆破裂隙的扩展的过程、机理及防突效果。对比了理论分析结果和典型的现场试验结果。得出的结论是,煤层深孔控制爆破致裂,是在爆炸波的动态冲击震裂和爆生气体及煤层瓦斯压力的尖劈压裂作用下共同完成的;深埋高应力煤层深孔控制爆破机理与常规浅孔采掘爆破机理不同;控制孔在高应力煤层中的导裂作用并不显著,其主要起到卸压孔和抽放孔的作用。几个典型的高应力低透突出煤层的工程实践表明,采用深孔控制爆破技术后,均获得良好的增透效果,且均未发生煤与瓦斯突出事故。     

基于爆破损伤的强制放顶爆破参数设计与应用

通过总结综采工作面坚硬顶板深孔爆破强制放顶成功案例,得出以爆破裂隙区半径为强制放顶爆破参数设计的不合理性,提出以爆破损伤范围为依据进行爆破参数计算。研究以国投新集二矿210108工作面为依托,通过爆破振动监测,回归得到综采面深孔爆破振动速度传播衰减规律,由此导出炮孔周围岩体内的质点振动峰值速度衰减规律。计算结果表明,炮孔直径75mm、装药直径63mm的深孔爆破可以在周围岩体中形成半径为7.631m重度损伤区,解释了炮孔间距大于10m仍能有着良好爆破效果的原因;设计最大孔底间距15.2m的爆破参数,并成功进行了现场应用,验证了计算方法的可靠性,为类似工程爆破参数设计提供了一个新方法。     

基于微地震监测的华丰煤矿深孔爆破防冲技术

为提高深孔爆破措施对防治华丰煤矿冲击地压的有效性,采用微地震监测技术连续监测其1410工作面围岩破裂情况。根据采场附近岩层"破裂-应力"对应关系,得到工作面前方、侧向及垂直方向上的支承压力峰值区,由此确定深孔爆破卸压的具体参数。结果表明:卸压孔深40 m(倾向投影为4倍采高)时,爆破对煤岩的整体性破坏明显,煤岩体中积聚的弹性能得到释放。监测期间共释放能量9.47 MJ,高应力区向煤岩深部转移,采场附近形成一定的卸载区域,减弱或消除了煤岩体的冲击危险性。     

装药位置对深孔聚能爆破数值模拟与应用研究

为研究不同装药位置对深部聚能爆破增透的效果,构建了不同装药位置的数值模型,运用理论分析、数值模拟和现场应用相结合的方法,分析了深孔聚能爆破不同装药位置周围的应力分布和裂隙发育状态,开展工程试验考察了周围抽采钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量的变化。研究结果表明:不同装药位置相比,中端装药时爆破有效影响范围较大、应力作用时间较长,里端装药时较小,外端装药时最小;聚能爆破中端装药,其爆轰波和应力波作用于煤体的时间较长且应力值更大,爆破产生的裂隙深度主要在轴向上加深,轴向裂隙和径向裂隙比其他装药方式均有增加;爆炸产生的爆生气体与空气波二次作用产生反射波,延长了作用时间,有助于裂隙扩展,加速了赋存瓦斯解吸和流动,爆破效果更好;深部聚能爆破中部装药能够有效地提高煤层的透气性和瓦斯抽采率。     

超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究

超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到,煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨;开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明:煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性;有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿,使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络,从而提高了煤岩的渗透率。     

松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应实验研究*

为获得松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应特征，利用岩体和煤体的三层物理模型，开展松软煤层多孔模型爆破实验，借助图像处理与电阻率层析成像技术，分析松软煤层多孔爆破的裂纹分布特征，得出爆破前后电阻率的响应规律。结果表明:在爆生裂隙形成的同时，控制孔内侧煤体呈现出断裂式和非断裂式2种位移现象，部分抵消了爆破孔扩腔带来的挤压作用；提出采用爆生裂隙、控制孔及爆破孔面积变化三者的综合值（S）分析爆破效果，单孔爆破时，S＜0，煤层裂隙分形维数变化率仅5%，控制区域呈现压实现象，电阻率降低约20%；多孔爆破时，爆生裂隙丰富、煤体发生充分位移，裂隙分形维数变化率达到21.28%，爆破孔空腔的负效应被抵消（S＞0），控制区域内电阻率普遍增大1~30倍；与单孔爆破模型相比，多孔爆破更符合煤矿现场，且能有效实现控制区域内的增透，电阻率普遍呈现增大现象。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

基于液电效应的高压电脉冲对煤体致裂实验研究*

为分析基于液电效应的高压电脉冲致裂煤体效果，采用电脉冲应力波实验和微观观测方法对潞安矿区煤样裂隙发展过程及其特征进行研究。结果表明:液电效应能明显致裂煤体，且作用次数越多，煤体裂隙密度越大、裂隙网络越贯通，同时煤体孔裂隙等结构薄弱部位的存在能促进裂隙的发育；液电效应对煤体作用可分为4个阶段，其中裂隙快速发展阶段是适合现场作用阶段；高压电脉冲通过液电效应产生冲击波和其他次生作用，且对煤体组成成分无影响；在现场应用中，应充分考虑煤体性质、钻孔布局等，采用“单点多次、多次连续、分段进行、全孔作业”的作业方式。该实验研究为基于液电效应的高压电脉冲技术应用提供支撑。     

The shaped blasting experimental study on damage and crack evolution of high stress coal seam

In the deep high stress coal and rock mass, the efficiency of the ordinary blasting method is constantly affected by the high pressure. This study investigates the shaped blasting technology with increased blasting efficiency, develops a mechanical model for coal crack expansion during shaped blasting, and examines the force-energy action of energy-gathering jets during coal splitting. The established model was combined with experiments and simulations to reveal the damage and evolution of cracks in coal and rock masses. Experiments demonstrate that shaped blasting can create an energy-gathering jet that causes a directional fracture in the test block. The peak of compressive strain in the energy-gathering direction is 1.12 times greater than that of ordinary blasting, and the static action period of the explosive gas is prolonged by 1.3 μs according to the stress curve. Moreover, the peak pressure strain increased 3.2 times, and the pull strain peak increased 3.92 times. The damage amount was represented by the resistivity and ultrasonic wave speed, and shaped blasting causes 1.2 and 1.5 times greater damage than ordinary blasting. The research results provide technical methods for safe and rapid penetration blasting in deep high-ground stressed coal mines.     

药卷位置对边坡光面爆破效果影响研究

为了进一步探究药卷位置对边坡光面爆破效果的影响，在LS-DYNA构建孔径90 mm、药卷直径32 mm的同心不耦合装药和偏心不耦合装药模型，分析2种装药形式的孔壁压力及损伤展布情况，并基于此提出改进偏心不耦合装药，通过现场光面爆破试验验证改进偏心不耦合装药应用效果。研究结果表明:同心不耦合装药孔壁各测点压力峰值基本相同，炮孔周围相同爆心距处的损伤等级基本一致；偏心不耦合装药孔壁各测点压力峰值从炮孔底部到炮孔顶部逐渐减小，下方耦合侧岩体的损伤等级与损伤范围明显优于上方不耦合侧岩体；原有偏心不耦合装药会导致边坡预留岩体产生过度破坏，采用改进偏心不耦合装药能避免边坡预留岩体的过度破坏，形成平整光滑的爆后轮廓面。     

深孔预裂爆破在低透性高突煤层中的应用与分析

为提高低透气性高突出煤层瓦斯抽放率,达到预防瓦斯突出的效果,将深孔预裂爆破技术运用于某煤矿低透性高突煤层,考察了这种爆破对煤层透气性系数、百米钻孔瓦斯流量、瓦斯抽放量、抽放浓度、瓦斯抽放率以及突出预测敏感指标的影响。试验结果表明:采用深孔预裂爆破技术后,煤层透气性增强,瓦斯抽放率提高,各项预测指标在回采期间没有出现超标情况,同时也没有发生过瓦斯动力现象和煤与瓦斯突出。     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。