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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

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

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预裂炮孔近区煤体爆破损伤特性研究

煤炭技术 2024年第8期 7-12页

作者：解北京栾铮李晓旭蔺淑蓉石嘉煜李恒中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院

为探究工作面预裂炮孔近区煤体动力损伤及应力传递过程，选用HJC、RHT损伤模型，对单孔装药及双孔爆破工况开展爆破模拟。研究结果表明：单孔爆破下RHT模型的损伤随时间呈近似线性增长，HJC模型的爆破损伤随时间呈二次函数增长；单孔爆... 详细信息

为探究工作面预裂炮孔近区煤体动力损伤及应力传递过程，选用HJC、RHT损伤模型，对单孔装药及双孔爆破工况开展爆破模拟。研究结果表明：单孔爆破下RHT模型的损伤随时间呈近似线性增长，HJC模型的爆破损伤随时间呈二次函数增长；单孔爆破中峰值压力与爆心距呈二次函数；双孔爆破下HJC、RHT模型的爆炸近区压力峰值相差2.27%，但远区峰值压力差值≥8.0 MPa；双孔爆破下RHT模型应力波传播：两孔贯穿-后向外扩展；HJC模型应力波传播：由爆破孔向四周扩展，后作用孔间区域；单孔/双孔爆破中HJC模型能量吸收时间分别为RHT模型的6～10倍，RHT模型可表征煤岩爆破演化。研究成果可为工作面安全高效施工提供参考。

关键词：爆破增透损伤模型煤体数值模拟动力响应

松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

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煤炭科学技术 2023年

作者：高魁安徽理工大学安全科学与工程学院

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的现实问题，提出了在底板岩层开展爆破作业，从而达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况，在实验... 详细信息

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的现实问题，提出了在底板岩层开展爆破作业，从而达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况，在实验室内构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。相似模拟试验及数值模拟结果表明，松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展，爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重，产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时，岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波，透射波作用于松软煤体，使煤层裂隙增加；反射波反作用于岩体，在煤岩交界面形成交叉裂纹，使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通，有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明，煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升，抽采纯量从0.06m3/min提高到1.46m3/min，增加了23.33倍；瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.5%左右，增加了3.25倍，并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

关键词：松软煤层爆破增透模拟试验爆炸应力波卸压瓦斯抽采

含控制孔切缝药柱爆破增透松软煤层数值模拟研究

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矿业研究与开发 2023年第12期43卷 29-33页

作者：陈响升刘泽功乔国栋张鑫杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南市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市232001

为了探明切缝药柱与控制孔耦合作用下的爆破增透效果,运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立了数值分析模型并求解,得到了切缝药柱装药爆破与控制孔共同作用下松软煤层增透的裂隙扩展及应力分布特征。结果表明:切缝药柱和控制孔耦合作用下... 详细信息

为了探明切缝药柱与控制孔耦合作用下的爆破增透效果,运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立了数值分析模型并求解,得到了切缝药柱装药爆破与控制孔共同作用下松软煤层增透的裂隙扩展及应力分布特征。结果表明:切缝药柱和控制孔耦合作用下的定向控制断裂松软煤层效果优于单切缝药柱的爆破效果。应力波传播到控制孔时发生波的反射叠加,爆生裂纹偏转现象显著,拉应力峰值上升,与远离控制孔的B、C、D 3点的拉应力峰值相比,靠近控制孔的E点的拉应力峰值分别是B、C、D 3点拉应力峰值的1.15倍、1.33倍和1.88倍。控制孔对裂隙扩展起导向作用,进一步促进了裂隙的发育和扩展。研究结果可为爆破增透松软低透气性煤层工程实践提供一定的理论依据和数据支撑。

关键词：切缝药柱控制孔爆破增透裂隙扩展数值模拟

爆破钻孔层位对增透效果影响对比试验研究与应用

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爆破钻孔层位对增透效果影响对比试验研究与应用

作者：田宇安徽理工大学

学位级别：硕士

煤与瓦斯突出作为一种严重的煤矿灾害,在松软低透气性煤层中事故发生的更为频繁,因此爆破增透技术的应用也更加广泛。然而,在松软低透气性煤岩中不同位置进行爆破,进而发育出煤岩层裂隙网络对瓦斯进行高效导流的问题还没有进行深度的研... 详细信息

煤与瓦斯突出作为一种严重的煤矿灾害,在松软低透气性煤层中事故发生的更为频繁,因此爆破增透技术的应用也更加广泛。然而,在松软低透气性煤岩中不同位置进行爆破,进而发育出煤岩层裂隙网络对瓦斯进行高效导流的问题还没有进行深度的研究。所以,为了深入探讨松软低透气性煤层爆破增透效果与布孔层位之间的关系,理论分析煤岩体裂隙演化过程以及爆破应力波在煤岩体中的传播规律,进行不同布孔层位的煤岩体爆破相似模拟试验,结合数值模拟结果对比分析各试样的裂纹发育情况、爆破应变变化和煤岩破坏规律,最后将研究成果在现场进行应用,得到以下几点结论:(1)通过理论分析发现,岩体被爆炸破坏后主要分为了三个区域:粉碎区、裂隙区、震动区。而应力波主要作用在裂隙区,当应力波从一种介质传播到另一种介质时,由于介质间的波阻抗不同,导致应力波会产生反射和透射两种现象。应力波从岩到煤时,会在交界面出现透射的压缩波和反射的拉伸波;当应力波从煤到岩时,交界面出现的透射波和反射波均为压缩波。(2)通过试验发现,当爆破孔位于煤层时,因爆破产生的裂隙易于闭合,效果不佳;当爆破孔位于岩层时,随着爆破孔与松软煤层之间的距离越近,爆破效果越好。对位于顶底板的爆破孔来说,由于存在自重的微量差异,导致在与煤层保持相同距离的情况下,布孔位置在顶板的爆破裂隙发育要优于布孔位置位于底板的。对煤岩体中的岩层和煤层进行应变值监测,发现应变曲线遵循着先压后拉的规律。在所有试块中,顶板3号试块的2#测点与4#测点的应变值相差最小,代表顶板3号试块的煤层受到的爆破扰动最大。使用超声波CT检测试块爆破前后的波速变化,爆破前M2断面的波速大约为2.1km/s,爆破后顶板3号试块的M2断面的波速降低到了1.0 km/s,下降了49.52%,下降幅度最高。对比可知,顶板3号试块比其余试块受损情况更为严重。(3)通过数值模拟可以发现7块模型的煤岩交界面都有发生应力集中现象,其应力集中程度的大小取决于爆破孔与交界面之间的距离。爆破孔位于岩层的试块在爆破后,首先会在爆破孔附近出现应力变化,然后传播到煤层,在交界面产生应力集中;爆破孔位于煤层的试块在爆破后,会直接在煤层中产生应力集中,基本不对上下岩层造成损伤。通过数值模拟中的损伤云图和有效应力云图对比可以发现,顶板3号试块的损伤效果最好,应力集中时间长。(4)将爆破布孔位置不同的两个现场试验进行对比,可以发现在1252(1)工作面143号钻场的煤层中进行爆破后,抽采孔的瓦斯纯量与浓度短时间得到提升,但很快衰减到爆破前的瓦斯抽采纯量和浓度水平;相比之下,在144号钻场的煤层顶板进行爆破后,瓦斯抽采纯量与浓度有了大幅度提升,并且衰减速度缓慢,能长时间对瓦斯进行导流。因此,对于低透气性松软煤层来说,在煤层顶板爆破比在煤层中爆破更能达到预想效果,更能长时间对煤层中的瓦斯进行高效导流。图101表12参90

关键词：爆破增透松软煤层不同布孔层位瓦斯治理

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爆破增透瓦斯抽采技术分析

当代化工研究 2019年第7期 73-74页

作者：翟鹏兴山西宏厦第一建设有限责任公司

为了提高某矿瓦斯抽放浓度,文中选择实验区域,制定抽放方案,分析可知,该矿整体抽采效果不理想,瓦斯抽采浓度低于6.02%,万米瓦斯平均抽采流量为0.2492m^3/(min·万米),总体抽采效率较低;对爆破抽采的效果进行分析,抽采浓度为13.41%,万米... 详细信息

为了提高某矿瓦斯抽放浓度,文中选择实验区域,制定抽放方案,分析可知,该矿整体抽采效果不理想,瓦斯抽采浓度低于6.02%,万米瓦斯平均抽采流量为0.2492m^3/(min·万米),总体抽采效率较低;对爆破抽采的效果进行分析,抽采浓度为13.41%,万米瓦斯平均抽采流量为0.7746m^3/(min·万米),抽采效果较常规抽采技术有大幅度提升。

关键词：爆破增透抽采技术抽放效果

底板穿层钻孔爆破煤层增透裂隙分布规律研究与应用

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底板穿层钻孔爆破煤层增透裂隙分布规律研究与应用

作者：汪斌斌安徽理工大学

学位级别：硕士

本文基于瓦斯流动理论、瓦斯抽采技术和深孔预裂爆破增透理论,针对松软低透气性煤体在煤体中打钻孔容易垮孔、成孔率低,使得装药困难、封孔困难问题以及煤层装药爆破后松软煤体产生裂隙很快闭合,很难达到长效增透的问题,提出了底板穿层... 详细信息

本文基于瓦斯流动理论、瓦斯抽采技术和深孔预裂爆破增透理论,针对松软低透气性煤体在煤体中打钻孔容易垮孔、成孔率低,使得装药困难、封孔困难问题以及煤层装药爆破后松软煤体产生裂隙很快闭合,很难达到长效增透的问题,提出了底板穿层钻孔煤岩层交界处装药爆破的增透方法,通过理论分析、搭建系统进行相似模拟试验、数值模拟和现场试验的研究方法路线进行了不同控制孔孔径条件下的爆破增透尝试研究,取得了以下结论与成果:(1)在煤岩交界处装药爆破产生的能量使煤岩体产生了丰富的裂隙,一方面增强了煤层瓦斯渗透性的同时保护了用于后期抽采瓦斯的底板岩层中的控制孔,另一方面底板岩层中的裂隙为松软的煤层中的裂隙和位移提供了空间,有效减少裂隙的闭合,并提供了稳定的瓦斯流通通道。(2)随着控制孔径的增大,对裂隙的导向作用越明显,爆破空腔越小,贯穿到模型边界的裂隙偏转角度越来越小,孔径增大到一定程度后降低了相对应力集中度,使得裂隙呈现明显的网状分布。(3)在控制孔较大的情况,由于提供了足够的自由面,在爆破能量的作用下,煤体产生了以爆破孔为中心向四周挤压变形移动为主,以微裂隙为辅的的破坏,使得煤体有个从模型四周凹向中心的8°的角度。(4)通过在煤岩体交界处装药爆破,应力波在传播到煤岩层交界弱面,形成多次的反射叠加,这种反复的拉伸叠加作用在煤体,使得煤体产生更多的位移和破坏。(5)通过数值模拟计算结果得出:随着控制孔的不断增大,煤岩体中的裂隙发育越来越丰富,煤岩体的位移和相互侵入程度越大,损耗在爆破空腔里的能量越少,空腔越小;当控制孔径达到一定程度继续增大时,由于控制孔提供很大的自由面,使得煤体在爆破作用下产生了较为明显的片区移动并在控制孔附近产生破坏,与产生的裂隙的双重作用下极大的增加了煤体的透气性,同时岩体中的裂隙与煤体中的裂隙形成立体裂隙结构,岩体中稳定的控制孔为后续的瓦斯抽采作业提供了长期高效的保障。(6)工业试验采用了底板穿层钻孔煤岩交界处装药爆破方案增加了瓦斯抽采浓度和纯流量,增加了瓦斯渗透性,有效增透半径达到6m,消除了石门揭煤的瓦斯突出危险。

关键词：穿层钻孔松软低透煤煤岩交界处裂隙分布爆破增透

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固粒支撑剂在煤层爆破裂隙中的运移堆积规律

固粒支撑剂在煤层爆破裂隙中的运移堆积规律

作者：沈海辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

目前我国煤炭开采已进入深部区域,地应力高,瓦斯压力大,煤层碎软渗透性低,加剧了瓦斯抽采难度。本文针对煤层增透抽采过程中初期效果较好而后期快速衰减影响持续高效抽采的问题,采用理论分析、相似试验和数值模拟等方法相结合,研究爆破... 详细信息

目前我国煤炭开采已进入深部区域,地应力高,瓦斯压力大,煤层碎软渗透性低,加剧了瓦斯抽采难度。本文针对煤层增透抽采过程中初期效果较好而后期快速衰减影响持续高效抽采的问题,采用理论分析、相似试验和数值模拟等方法相结合,研究爆破作用下固粒射流进入裂隙空间的动态过程和分布堆积规律。论文主要研究内容及结论如下:开展了炸药-固粒组合爆破致裂煤体试验,分析了煤体爆破裂隙扩展和固粒堆积规律。根据煤层力学参数和相似准则制备了多个爆破试验试件,几何相似比为10∶1,试件尺寸为40cm(长)×40cm(宽)×30cm(高),试件材料配比为煤粉∶河沙∶水泥∶石膏∶云母碎∶水=1.00∶1.15∶0.60∶0.78∶0.03∶0.67,试件中爆破钻孔孔径为8mm。试验结果发现:在炸药爆破作用下煤体裂隙向控制孔方向发育扩展,在爆炸高压气体抛掷作用下绝大部分固粒进入了裂隙空间,仅少量固粒滞留在爆腔空间。抛掷固粒主要分布在距炮孔中心10～15cm范围内即裂隙中部位置,堆积形式因粉碎区和裂隙区中破碎煤体的阻挡呈现出多点凝聚的特征。借助ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析了固粒运动特性以及固粒尺寸、密度、炸药威力以及裂隙宽度对固粒在裂隙中运动行为的影响规律。爆破初期0～0.15ms内固粒速度可增至70m/s～115m/s,固粒的运动形式主要表现为自转和平移,经过0.15ms～1.3ms振荡运动,固粒的移速、加速度和动能大幅下降,并在一定范围内保持稳定。固粒粒径和密度减小,炸药威力增加,固粒在裂隙中的移速和位移量也随之增加;相比固粒密度和炸药威力变化,固粒粒径变化对固粒运动的稳定性影响较大;裂隙空间增大固粒在裂隙中的运动速度会明显增加,其运动稳定性所受影响较小。本文研究成果可为高瓦斯低透气性煤层的长效增透抽采提供理论和方法参考,对我国煤层瓦斯灾害防治具有积极意义。该论文有图44幅,表11个,参考文献57篇。

关键词：爆破增透裂隙扩展固粒支撑长效抽采模拟分析