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爆破震动作用下高地应力巷道动力响应特征与稳定性研究

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振动工程学报 2024年第3期37卷 414-422页

作者：乔国栋刘泽功高魁刘健傅师贵安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性,以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景,通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型,并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作... 详细信息

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性,以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景,通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型,并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作用下巷道围岩振动方程。使用数值模拟研究了巷道围岩质点峰值振动速度(Peak Particle Velocity,PPV)的衰减特征,从应力分布规律的角度对理论分析进行了补充,并根据模拟结果对巷道围岩稳定性进行了分析。结果表明:巷道围岩振动方程显示,爆炸应力波入射角度的不同会导致巷道围岩不同区域的动态响应特征存在差异。随着爆心距增大,巷道轮廓面附近围岩PPV出现波动,并在自由面处获得最大峰值振速;地应力对巷道围岩PPV具有抑制作用,地应力越大抑制作用越明显,且不同位置围岩的PPV对地应力敏感度存在差异;随着地应力增大,爆破震动作用下巷道围岩受力状态从拉剪变为压剪,最大主应力和剪切应力也随之增大。研究认为随着埋深增加,在对爆破震动作用下巷道围岩的稳定性进行评估时地应力因素不可忽略。对于潘三矿超前预裂卸压爆破工程现场而言,除了巷道的直墙外,墙角、拱墙也是危险区域,应当着重予以加固并加强监测。

关键词：地应力动力响应爆破震动围岩失稳质点峰值振动速度

柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 129-138页

作者：杨帅刘泽功张健玉傅师贵乔国栋张鑫安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对... 详细信息

为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析。在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统,对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验。结果表明,使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育;随着聚能罩角度减少,聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑,裂纹宽度也随之增加,试块剖面更加平整;根据超动态应变仪反演结果,1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍,1.26倍和1.08倍,且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短,表明随着聚能罩开口的减小,聚能方向上能量集中现象越明显。通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析。模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大,聚能方向产生的裂纹最长。试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果,研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义。

关键词：煤层增透聚能爆破聚能罩角度裂纹扩展

高地应力下岩体控制爆破机理与损伤演化特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期 867-878页

作者：傅师贵刘泽功张健玉乔国栋张鑫杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院合肥综合性国家科学中心能源研究院

为研究高地应力作用下深孔控制爆破损伤情况及裂隙演化规律，以淮南潘三矿深孔松动控制爆破瓦斯增透为工程背景，通过对控制孔导向、应力波传播及地应力下控制孔周围岩体应力理论分析和数值模拟，结合岩石爆破裂隙分形维数，探讨了高地... 详细信息

为研究高地应力作用下深孔控制爆破损伤情况及裂隙演化规律，以淮南潘三矿深孔松动控制爆破瓦斯增透为工程背景，通过对控制孔导向、应力波传播及地应力下控制孔周围岩体应力理论分析和数值模拟，结合岩石爆破裂隙分形维数，探讨了高地应力对岩体控制爆破裂隙的演化影响。结果表明：控制孔对爆生裂纹的扩展有一定的定向效果，但深部矿区处所受高地应力会影响该定向效果。当控制孔与爆破孔的连线方向与最大主应力方向一致时，爆破定向效果达到最佳；刚起爆时，控制孔为爆破孔提供自由面，降低最小抵抗线；随着地应力的影响，裂纹扩展方向沿最大主应力方向进一步促进爆破孔与控制孔之间的岩体损伤。最后，通过分析不同地应力状态下爆破裂隙的演化情况和分形维数，建立了裂纹分形维数D与损伤量w的预测模型，能较好地预测高地应力下岩体的损伤程度。

关键词：高地应力岩石爆破分形维数控制爆破数值模拟

深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：张鑫刘泽功张健玉傅师贵乔国栋杨帅常帅安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学安全科学与工程学院

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题，首先根据爆破应力波的传播和叠加，从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律；然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹... 详细信息

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题，首先根据爆破应力波的传播和叠加，从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律；然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征，在此基础上，对不同侧压力系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究，并结合ImageJ图像识别软件和LS-PrePost软件，以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响；最后根据室内试验和数值模拟研究结果，给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明，地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力，从而抑制裂纹扩展；在非静水地应力条件下，与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱，导致该方向的裂纹扩展受到抑制，使裂纹优先向高应力方向扩展；双孔爆破数值模拟研究结果表明，侧压力系数不为1时，爆生裂纹扩展呈现出方向性，主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展，造成爆破裂纹区域呈椭圆形，长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果，在深部煤层进行爆破致裂增透时，宜沿较大地应力方向钻孔，有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有重要指导意义。

关键词：地应力理论模型裂纹扩展裂隙区范围爆破增透

深井高瓦斯低渗煤层深孔聚能爆破增透试验研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：傅师贵刘泽功常帅杨帅张健玉乔国栋张鑫安徽理工大学安全科学与工程学院合肥综合性国家科学中心能源研究院

随着煤炭逐渐往深部区域开采，将面临着高地应力问题。针对深井高瓦斯低渗煤层在深部地应力作用下聚能爆破增透煤体内部损伤及裂隙演化规律不清楚，建立了聚能爆破射流理论模型，研究了聚能射流形成的临界压垮速度，验证了射流形成的可... 详细信息

随着煤炭逐渐往深部区域开采，将面临着高地应力问题。针对深井高瓦斯低渗煤层在深部地应力作用下聚能爆破增透煤体内部损伤及裂隙演化规律不清楚，建立了聚能爆破射流理论模型，研究了聚能射流形成的临界压垮速度，验证了射流形成的可行性，分析了聚能爆破载荷侵蚀煤体的作用机制；随后通过在实验室开展了不同埋深下聚能爆破和普通爆破的相似模拟对比实验，从宏观裂纹、应变情况以及超声波数据三个方面分析不同埋深下聚能爆破和普通爆破对煤层裂纹扩展的影响；其次通过数值模拟软件研究不同埋深下聚能爆炸载荷对煤体损伤分布特征情况；最后通过现场试验研究普通爆破和不同埋深下聚能爆破对瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量的影响。爆破相似模拟实验结果表明：深部地应力会抑制爆破载荷对煤体的致裂范围，并且普通爆破受地应力的影响比聚能爆破更大；相对比于普通爆破，聚能药包在深部煤体爆破增透时致裂范围更广，在聚能方向上1#测点最大压应变峰值是普通爆破的1.35倍，而非聚能方向上3#测点最大压应变峰值为普通爆破的86％，这也导致裂纹优先向聚能方向扩展，在非聚能方向扩展较少，爆破定向效果更佳。数值模拟结果表明：随着埋深的增加，聚能爆破侵彻煤体的范围会变小；拟合了埋深与聚能爆破致裂煤体范围关系式，能在一定程度上为深部矿井聚能爆破致裂煤体范围作为判断依据。现场试验结果表明：深孔聚能爆破比普通深孔爆破能够更大程度增加瓦斯抽采。而埋深对深孔聚能爆破致裂范围有一定的影响，因此在深部矿井中采用聚能爆破时应考虑地应力的影响。研究成果对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透有一定的参考意义。

关键词：聚能射流数值模拟煤层增透地应力相似模拟

三维加载密封装置研制及煤厚变异区突出模拟试验分析

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岩石力学与工程学报 2024年第7期 1593-1606页

作者：高魁刘泽功马衍坤乔国栋李亮纪海龙王有为安徽理工大学安全科学与工程学院安徽理工大学煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台

复杂性岩土工程问题目前尚难以用理论研究方法或数值模拟方法得到准确解答，采用物理模型试验研究方法可较好的弥补上述难题，国内外学者对物理模型试验和三维液压加载装置进行大量的研究。针对小尺寸的装置很难考虑和涉及地质构造因素... 详细信息

复杂性岩土工程问题目前尚难以用理论研究方法或数值模拟方法得到准确解答，采用物理模型试验研究方法可较好的弥补上述难题，国内外学者对物理模型试验和三维液压加载装置进行大量的研究。针对小尺寸的装置很难考虑和涉及地质构造因素的影响，大尺寸三维液压加载装置的箱体密封困难等问题，自主研制大型真三维液压加载密封试验装置，装置反力框架整体尺寸为4300mm×3580mm×3150mm(长×宽×高)，试验加载箱体外形尺寸为2050mm×1400mm×1300mm，箱体为三向真三轴面加载密封箱体，可进行10MPa地应力及3MPa高压气体条件下煤岩样真三轴加载试验。同时，利用该装置进行煤矿井下巷道掘进过程中，遇到煤厚变异区的煤与瓦斯突出相似模拟试验，研究揭煤过程中瓦斯压力、煤岩应力和温度的变化规律。充气过程中，煤体吸附瓦斯放热使煤层内的温度升高；突出发生前，位于煤厚变异区的应力值较大；突出发生的瞬间，高速气流携带破碎煤岩疾速喷出，突出点附近的瓦斯压力迅速下降；突出发生后，瓦斯解吸和对外膨胀做功使煤层内的温度下降，煤厚变异区构造带附近的温度变化最为显著，下降最大可达7.3℃。顶底板煤岩交界面的应力同时急剧下降，煤厚变异区产生了较高的应力集中，应力值存在短暂升高的过程，最大值达到了1.4MPa，突出煤粉质量比为34.75%。最后，根据试验结果对煤厚变异区突出过程进行能量分析，实验结果符合煤与瓦斯突出的能量失稳判据，揭煤外力扰动会直接或者间接诱导煤与瓦斯突出发生。

关键词：采矿工程煤厚变异煤与瓦斯突出模拟试验地质构造

深部高瓦斯低渗煤层定向聚能爆破裂纹扩展规律试验研究

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振动与冲击 2024年第13期43卷 217-226页

作者：张鑫刘泽功高魁张健玉傅师贵乔国栋杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

针对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破有效致裂范围较小,爆破能量利用率低的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后利用自主搭建的爆破试验平台进行了有无地应力... 详细信息

针对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破有效致裂范围较小,爆破能量利用率低的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后利用自主搭建的爆破试验平台进行了有无地应力普通爆破及地应力下不同聚能方向爆破试验研究;最后将爆破后4组试块的裂纹扩展及应力发展规律分别进行对比分析,得出爆生裂纹的扩展规律以及应力峰值的涨幅关系。研究结果表明,在裂纹扩展方面,地应力的存在对煤岩体普通爆破裂纹的扩展起抑制作用,整体裂纹扩展范围较小且呈椭圆形分布;聚能方向与水平较大主应力方向一致时,有利于定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较大;聚能方向与竖直较小主应力方向一致时,在爆破初期因聚能效应裂纹沿聚能方向扩展,在裂纹扩展后期,受地应力影响垂直方向上煤岩体受到的切向压应力较大,制约了定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较小。应力传播方面,在无地应力与加载地应力普通爆破情况下,爆破孔周围应力呈下降趋势,最高降幅达39.1%;地应力下水平方向聚能爆破相对于普通爆破时,聚能方向的应力峰值提高了72.2%。研究成果运用于深部高瓦斯低渗煤层爆破中,可以有效提高爆破能量利用率和裂纹扩展范围,对瓦斯解吸具有积极意义。

关键词：地应力聚能爆破爆炸应力波裂纹扩展范围损伤特征

爆破震动作用下高地应力巷道动力响应特征与稳定性研究

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振动工程学报 2023年

作者：乔国栋刘泽功高魁刘健傅师贵合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽理工大学安全科学与工程学院

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性，以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景。通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作... 详细信息

为了研究爆破震动作用下高地应力巷道的动力响应特征及其稳定性，以淮南潘三矿超前预裂卸压爆破扰动瓦斯综合治理巷为工程背景。通过理论分析建立了爆破作业扰动巷道围岩模型并根据应力波传播理论及波前动量守恒定理推导出了爆破震动作用下巷道围岩振动方程。使用数值模拟的研究方法从地应力作用下巷道围岩质点峰值振动速度（PPV）的衰减特征、应力分布规律的角度对理论分析进行了补充，并根据模拟结果对巷道围岩稳定性进行了分析。结果表明：巷道围岩振动方程显示，由于爆炸应力波入射角度的差异会导致巷道围岩的不同区域出现不同的动力响应特征。随着爆心距增大，巷道轮廓面附近围岩PPV出现波动，并在自由面处获得最大峰值振速；地应力对巷道围岩PPV具有抑制作用，地应力越大抑制作用越明显，且不同位置围岩的PPV对地应力敏感度存在差异；随着地应力增大，爆破震动作用下巷道围岩受力状态从拉剪变为压剪，最大主应力和剪切应力也随之增大。研究认为随着埋深增加，在对爆破震动作用下巷道围岩的稳定性进行评估时地应力因素不可忽略。对于潘三矿超前预裂卸压爆破工程现场而言，除了巷道的直墙外，墙角、拱墙也是危险区域，应当着重予以加固并加强监测。

关键词：地应力动力响应爆破震动围岩失稳质点峰值振动速度

高瓦斯低渗煤层控制孔与定向控制爆破复合作用增透试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第8期42卷 2018-2027页

作者：张鑫刘泽功张健玉傅师贵乔国栋杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

针对高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破裂隙不能较好的沿煤层方向扩展,爆破能量利用率低的问题,进行控制孔与定向控制爆破复合作用增透试验研究。根据爆炸应力波的传播规律,建立控制孔辅助作用下爆炸应力波传播的力学模型,将爆破后4组不同... 详细信息

针对高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破裂隙不能较好的沿煤层方向扩展,爆破能量利用率低的问题,进行控制孔与定向控制爆破复合作用增透试验研究。根据爆炸应力波的传播规律,建立控制孔辅助作用下爆炸应力波传播的力学模型,将爆破后4组不同孔径控制孔与1组无控制孔的裂纹起裂及应力发展规律进行对比分析,得出爆生裂纹的扩展规律以及应力峰值的涨幅关系。利用自主搭建的爆破试验平台进行爆破相似模拟试验,结果表明,在裂纹扩展方面,当控制孔孔径过小,控制孔对裂纹导向作用较弱,爆破孔和控制孔之间平行于煤层裂纹不明显;随着孔径增大,控制孔对裂纹导向作用加强,双孔之间形成平直的贯通爆生裂纹,定向作用较为明显。应力方面,控制孔迎爆侧应力峰值随着孔径增大而增大,最大涨幅为40.4%;在控制孔背爆侧随着孔径增大应力峰值呈先增加后减小的动态趋势,即周围应力场随着孔径的增大会出现一个最大应力场。研究成果运用于高瓦斯低渗煤层定向控制爆破中,可以有效提高爆破能量利用率和煤层透气性。

关键词：采矿工程控制孔控制孔孔径裂纹扩展应力传播爆破增透