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岩石力学与工程学报 2024年

作者：高瑞赵鸿杰徐冰琪于斌姜泽太原理工大学矿业工程学院重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室

定向预裂技术有利于岩体的精准垮落及采场应力分布控制，现有煤岩体定向造缝技术主要有定向水射流、定向水力压裂及聚能定向爆破等，存在裂缝尺度小、定向效果差等弊端。论文提出一种基于“射流+爆轰”的微差复合爆破定向造缝技术，利... 详细信息

定向预裂技术有利于岩体的精准垮落及采场应力分布控制，现有煤岩体定向造缝技术主要有定向水射流、定向水力压裂及聚能定向爆破等，存在裂缝尺度小、定向效果差等弊端。论文提出一种基于“射流+爆轰”的微差复合爆破定向造缝技术，利用射孔弹微秒级定向聚能射流和炸药毫秒级爆破高压劈裂作用，形成定向连续的孔缝融合面，实现精准造缝。论文介绍了复合爆破技术关键设备和工艺流程；建立聚能射流冲击及二次爆破劈裂的力学模型，分析了射流侵彻及炸药二次爆破高压定向劈裂机制，给出了射流侵彻及二次爆破过程中裂缝定向扩展长度的理论表达式，揭示了复合爆破定向造缝机制。采用LS-DYNA数值模拟软件，建立了聚能射流破岩的数值模型，获得了聚能射流破岩全过程的孔洞扩展规律及岩石损伤特征，揭示了不同时段射流形态、射流速度及孔洞长度的演化规律；在一次射流基础上，建立了二次爆破数值模型，明确了二次爆破高压劈裂的裂缝扩展全过程，获得了裂缝长度、扩展速度及岩石损伤随时间的演化规律；揭示了“射流+爆轰”复合爆破定向裂缝扩展的全过程特征。进一步，通过地面混凝土靶试验验证了复合爆破技术定向造缝可行性，并在井下巷道进行了工业性试验。采用钻孔窥视观测井下爆破孔内定向成缝情况，得到孔内91%,89%和61%的定向成缝率。论文研究成果表明了复合爆破技术定向造缝理论的可行性，为煤矿煤岩体定向控制提供了一种新型技术途径。

关键词：岩石力学坚硬顶板复合爆破聚能射流定向造缝

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坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向破岩机理研究

坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向破岩机理研究

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作者：姜泽太原理工大学

学位级别：硕士

随着煤层开采强度、开采深度的增加,煤层开采对巷道的扰动更加剧烈,工作面回采后会出现基本顶悬顶时间长、跨度大等特征,导致巷道围岩应力集中明显,巷道变形问题突出。为实现对坚硬岩层的定向精准预裂,以提高对于巷道围岩稳定性的控制水... 详细信息

随着煤层开采强度、开采深度的增加,煤层开采对巷道的扰动更加剧烈,工作面回采后会出现基本顶悬顶时间长、跨度大等特征,导致巷道围岩应力集中明显,巷道变形问题突出。为实现对坚硬岩层的定向精准预裂,以提高对于巷道围岩稳定性的控制水平,本文提出一种坚硬岩层复合爆破定向造缝技术,通过射孔弹和炸药的复合爆破,实现定向造缝,论文采用理论分析、地面试验、LS-DYNA数值模拟以及现场工程实践等综合研究手段,系统的研究了坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向造缝破岩机理,取得以下研究成果:(1)详细阐述了复合爆破技术关键设备及结构,厘清聚能射流成型理论及复合爆破定向造缝机理;在地面进行了复合爆破定向造缝破岩试验,使间距为1.5 m的两个钻孔之间形成定向连续的裂缝面,证实了复合爆破定向造缝技术的可行性。(2)通过LS-DYNA数值模拟软件计算得到射孔弹炸高、药型罩锥角、岩石强度三个重要影响因素对聚能射流破岩孔道深度的演化规律。随着射孔弹炸高的增加,射孔深度逐渐增加,在现场应用时,需要结合炮孔直径的大小尽可能的增大炸高以提高射孔深度。药型罩锥角在50°到80°范围内对射孔深度的影响基本呈现负相关,当药型罩锥角为50°时,岩石射孔深度最大达到164 mm,岩石损伤深度达到175 mm,由于不同药型罩锥角形成的射流头部和射流杵体部分占药型罩的质量百分数不同,锥角越小,射流有效质量增大,从而增大侵彻的深度。岩石强度对射孔深度的影响基本呈现负相关,随着岩石强度的增加,岩石的动态断裂强度因子增大,对于聚能射流过程,金属粒子流尖端冲击岩石造成接触点应力集中,当应力集中程度大于岩石的动态断裂强度时,岩石便发生破坏。基于数值模拟结合现场实践工况得到复合爆破第一阶段聚能射流最优参数。(3)射流缝的存在使二次爆炸产生的能量持续集中,使得能量朝既定的方向发展,提高了能量的利用率,聚能射流形成的裂缝对爆生气体作用下的裂缝扩展具有导向作用。利用LS-DYNA研究得到炸药量对裂缝定向扩展影响规律及相邻炮孔的贯通情况,研究表明,在同一炸药量条件下,岩石裂缝的扩展速度总体上呈现先快速增大到峰值,然后逐渐波动下降的规律,裂缝尖端附近区域出现持续的集中应力,应力最大达到460MPa左右,当二次爆破的炸药量为50*40 mm时,裂缝可以贯通钻孔间距为1.5 m的岩石。同时相邻裂缝间由于受到爆生气体持续的高温高压冲击,出现较大范围的损伤,在煤层上覆岩层的压力及岩石自身的碎胀特性的影响下,岩层便会沿着裂缝面出现垮落,实现定向切顶。(4)现场进行了工程试验,设计复合射孔爆破相关参数及方案布置,在2311巷道布置3个钻孔进行试验,钻孔间距分别为1.5 m与2.0 m,通过对爆破孔进行钻孔窥视发现复合爆破技术的爆破成缝率较高,1号爆破孔、2号爆破孔、3号爆破孔的裂缝率分别为91%、89%、61%。表明了复合爆破技术的可行性,也验证了论文的研究成果。

关键词：坚硬岩层复合爆破聚能射流定向造缝岩石损伤

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