穿层爆破中控制孔对裂隙扩展作用机理试验研究

为研究控制孔在穿层爆破中对裂隙扩展的作用机理,在实验室内进行穿层爆破相似模拟试验。研究表明:煤岩体试块上表面产生了贯穿炮孔和控制孔的裂隙,侧面生成了多条不规则的裂隙,试块内部出现了包括沿控制孔方向发展的多个断裂面;炮孔和控制孔连线上产生了较高拉应力,炮孔和控制孔连线方向上拉应变峰值是炮孔45°方向上的拉应变峰值的1.12倍;爆破产生的压缩应力波P和在控制孔处反射生成的反射横波Sr、反射纵波Pr在控制孔附近的煤岩体上产生应力叠加,造成煤岩体损伤,最终形成贯穿裂隙。穿层爆破中控制孔对爆生裂隙的扩展起到导向作用,但由于穿层爆破中煤岩交界面的存在,使得应力波出现复杂的反射、透射、叠加效应,造成煤层内裂隙无序发育,工程现场应予以重视。     

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。     

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率（推进速度）的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。     

井下液态CO2爆破增透工业试验研究

为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率,选取七台河矿区进行液态CO2爆破煤层增透工业试验。研究液态CO2爆破过程中主管内高压气体P-T曲线,考察不同地应力下的液态CO2爆破有效影响半径和煤层透气性系数,监测爆破前后瓦斯抽采参数。试验结果表明:采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法计算液态CO2爆破的当量为180 gTNT;爆破后瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采混合流量提高1.71倍;煤层液态CO2爆破有效影响半径随地应力的增加近线性减小,随爆破压力的增加非线性增加,确定液态CO2爆破时最佳爆破压力范围160~280 MPa;爆破前后对比,煤层透气性系数提升17.49~22.76倍。井下煤层液态CO2爆破技术的实施,有助于降低爆破成本、提高增透效果和瓦斯抽采利用率。     

深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价研究*

为了探究大采深条件下厚煤层大巷孤立煤体频繁发生冲击地压的原因,以梁宝寺煤矿35000采区为工程背景,采取现场实践、数值模拟等方法分析不同采深、煤厚、大巷间距等因素对大巷孤立煤体冲击地压的影响,提出深井厚煤层大巷孤立煤体冲击地压的危险性评价方法。研究结果表明:大巷孤立煤体的采深与垂直应力峰值呈正相关,采深1 200 m时煤体的垂直应力峰值是采深500 m时的3倍左右;大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加,其应力集中程度不断升高,且应力峰值向煤体弹性承载区转移;大巷间距越小,孤立煤体弹性承载区应力越集中,发生冲击地压可能性越高;包含开采影响因素和煤层冲击倾向性的大巷孤立煤体冲击危险性评价方法符合现场实际情况,可为大巷孤立煤体冲击危险性评价提供1种思路。     

不同围压下煤岩损伤变形规律及声发射特征分析

为研究不同围压条件下煤岩的损伤变形,利用RTX-1000岩石三轴仪和Micro-Ⅱ声发射成像采集仪对煤样进行不同围压下的三轴压缩声发射定位试验,对加载过程中的应力应变、AE计数等特征参数进行对比分析,构建基于AE计数的损伤模型,研究三轴压缩下煤岩损伤变形的规律。研究结果表明:在保持应变率恒定的条件下,围压越高,煤样的峰值强度越大,分别为18.04,29.92,32.29,45.94 MPa;围压越高,弹性阶段的AE计数相对减少;煤样发生剪胀扩容变形;基于AE计数构建损伤模型,分析对比损伤应变理论曲线与试验曲线,得到较高的拟合度,且损伤临界值和损伤量随围压的升高呈现减小的趋势;分析理论模型中的速率增长因子,得到试验与理论损伤规律一致。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

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。     

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。     

深孔预裂爆破在深井高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为解决潘一东矿深井低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采率低的问题,提出了运用深孔预裂爆破技术提高煤层透气性,进行瓦斯预抽,进而提高瓦斯抽采率,降低煤层突出危险性的方法。通过数值模拟阐述了深孔预裂爆破技术的作用机理,并对潘一东矿应用效果进行了现场考察。研究表明:在低透气性煤层实施深孔预裂爆破技术后,煤层透气性得以提高,平均瓦斯抽采量提高了3倍,有效地提高了瓦斯抽采率,降低了煤体瓦斯压力和含量,从而在一定程度上降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

分段变速加载对含瓦斯突出煤力学特性影响试验研究

为探究采动应力变化对含瓦斯突出煤力学特性的影响,利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统,对新景矿含瓦斯突出煤进行了不同围压和瓦斯压力下的常规三轴和分段变速加载力学试验。结果表明:煤样在2种应力路径下的全应力应变曲线均可分为压密、线弹性、塑性变形、应力跌落和残余应力5个阶段;随着围压的升高或者瓦斯压力的降低,煤体在2种应力路径下的强度和弹性模量均增大;相较于常规三轴,煤体在分段变速加载路径下的强度普遍增大,峰值轴向应变、峰值环向应变绝对值和峰值体积应变绝对值也普遍增大,失稳破坏瞬间应力跌落和能量释放更加剧烈。Mohr-Coulomb强度准则仍然适用于分段变速加载条件下的含瓦斯突出煤,该研究对于认识煤与瓦斯突出的发生机制具有一定的指导意义。     

基于不同岩层组合对底板阻水效应的流固耦合机理研究

为了探究不同岩层组合底板对承压水的阻隔效果,以淮北矿区下组煤底板为研究 对象,建立了三种不同组合特征底板模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发, 对流固耦合条件下不同组合特征底板采动应力及围岩渗透性进行了综合分析。结果表明 :流固耦合条件下,底板采后应力转换点深度较不考虑底板水压条件下加深,且底板深 部出现了明显的卸压现象;硬软型底板采后卸荷程度及应力转换点降幅最大,而软硬相 间型底板受最小;硬软型底板采后渗透性提高4.5倍,而软硬相间型底板仅提高1.4倍, 研究结果揭示出软硬相间岩层组合底板阻水效果最好,而硬软型底板最差。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程,单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况,通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征,并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高,煤样破坏时强度越大,脆性破坏特征越明显,瓦斯流量急剧增加幅度越大,煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多,且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量,并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

硬岩竖井爆破损伤区探测及衬砌荷载*

为研究硬岩竖井受爆破开挖扰动的影响,依托米仓山公路隧道竖井工程,采用RSM-RCT（B）测试系统探测竖井爆破损伤区范围为1.1~1.4 m,并利用残余地质强度指标标定损伤区力学参数,将其纳入收敛约束法和数值分析中,以评估损伤区对竖井围岩及衬砌荷载的影响。研究结果表明,在硬岩竖井中开挖爆破是造成岩体损伤区的关键因素,地应力方向和大小对硬岩损伤区分布基本无影响。分析结果表明,爆破损伤区导致围岩变形增大,从而使得衬砌荷载增加,最大剪应力出现在损伤区与未破坏岩体之间的交界处,大小为16 MPa,同时靠近该位置的衬砌荷载也会变大,较深竖井可采用分区段支护,降低投资成本。研究结果可为硬岩竖井开挖荷载计算及设计优化提供一定参考。     

峰值前后多次加载下煤样声发射特征

掌握峰值前后多次加载下煤样声发射变化规律,对研究煤矿开采中不同变形部位煤岩裂缝演化至关重要。利用RMT-150B型岩石力学实验系统以及CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统,采取焦作矿区煤样进行了峰值前后多次加载下的应力-应变-声发射测试实验。测试结果显示:首次加载时声发射参数呈现“渐变性”的变化特征,随后加载时声发射变化呈现“分段性”特征。并且随着加载次数的增加煤岩的Felicity效应逐渐增强,体现了煤岩记忆的超前性。同时,随着加载次数的增加,煤样时间-声发射曲线较时间-应力曲线的滞后性逐渐增强。这些特征的研究可以为煤矿井下地质灾害的监测、预测提供指导。     

深部条件下的煤岩钻孔喷孔试验研究

为了研究深部条件下的煤岩体动力显现特征规律,运用钻孔喷孔试验系统进行了不同载荷作用下的钻孔喷孔试验,测试并分析比较煤试样在试验过程中的应力、应变、钻屑量、声发射等参数。结果表明:只有当煤样加载压力超过某一临界值后,才会发生钻孔喷孔现象;加载压力越大,煤试件的钻屑量越多,钻孔喷孔次数越多;同时,喷孔时伴随较大煤岩颗粒喷出,钻孔喷孔是一个能量瞬间释放的过程,侧向应力和应变在能量释放瞬间会经历突然减小或经过短暂的增加后骤然减小的过程,与钻孔喷孔事件相对应;声发射事件除在钻孔周围分布比较密集外,每个试件也有呈条带状分布的区域。声发射事件数、振铃数、能量等都随着加载时间的增加而增加,在喷孔阶段更加明显。试验结果有效揭示了钻孔喷孔过程。     

不同冲击速度下硬煤的力学特性试验研究

为了研究硬煤破坏过程中的动态力学特性，采用Φ50 mm变截面分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对45#钢制薄壁套筒施加环向约束的硬煤试件进行不同加载速率的冲击压缩试验，得到被动围压下轴向应力-应变曲线、径向应力-应变曲线及最大被动围压和冲击速度的关系。研究结果表明:峰值应力、峰值应变随着冲击速度的增大而增大，最大被动围压值与冲击速度呈幂次增长的关系；被动围压下的硬煤试件变形受到限制，试件延性、抗压能力显著提高；随着冲击速度的增大，薄壁套筒对试件的约束也逐渐增大，达到峰值后，冲击速度对被动围压的影响减小，筒壁厚度影响着被动围压效果。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

基于能量理论的煤与瓦斯突出机理探讨

为研究煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源,根据理想气体状态方程,推导了采场围岩瓦斯突出过程中的瓦斯压力、瓦斯含量与对外做功的关系,基于弹塑性力学,阐明了岩体弹塑性状态转化前后应变能释放机理。研究结果表明:煤与瓦斯突出是瓦斯势能与煤岩体弹性能共同作用并转化为煤岩体动能的结果;瓦斯势能释放值与释放路径无关,而与瓦斯压力和瓦斯含量相关,与煤壁前方塑性区扩展规模相关;将其应用至1次特大型煤与瓦斯突出事故中,核算的突出煤量、瓦斯含量和煤体抛出速度基本吻合于实际结果;基于理论分析提出了煤与瓦斯突出的3项防治措施,一是通过钻孔卸压或瓦斯抽放减小瓦斯压力,二是增加极限平衡区距离或减小截深,三是避免高瓦斯巷道或工作面出现蝶形塑性破坏。