温度作用下煤体裂隙演化规律数值模拟及声发射特性研究

温度的作用会在煤体上产生热应力, 进而引发煤体的裂隙发育乃至引发破裂, 有利于瓦斯的抽采.利用RFPA 有限元软件模拟加温热处理时煤体的破裂过程, 观察不同温度下煤体破裂的裂纹裂隙发展规律.采用声发射的试验方法对不同围压下温度改变时煤体内部裂隙发展进行细微观察并与RFPA 数值模拟结果进行对比. 研究结果表明: 温度改变产生的热应力能够使煤体温度升高, 进而破坏原有割理系统产生新的裂隙裂纹; 当温度达到一定值时, 煤体内部孔隙裂隙发育扩展较为明显, 形成主裂纹, 有效渗透通道增加, 降低煤体对气体分子的吸附能力, 提高游离气体含量, 渗透率明显提高. 该研究可为预防瓦斯相关灾害和瓦斯的抽采提供理论参考.     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

深孔爆破技术在高地应力低透气性高瓦斯煤层增透防突中的适用性

同时考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力和煤层地应力的作用,对不同地应力条件下的高瓦斯低透气性煤层深孔爆破进行了有限差分动力数值模拟,并与室内相似模型实验和相关现场实践进行了对比。结果表明:地应力对煤层深孔爆破效果的影响显著,尤其对于高地应力煤层,地应力严重抑制着煤层爆生裂隙的扩展,煤层爆生裂隙半径随地应力的增大而近线性地减小,但深孔爆破技术对于高应力低透气性煤层仍可取得良好的增透效果;煤层地应力的主应力方向在一定程度上影响着爆生裂隙的扩展方向,实际工程需结合煤层地应力状况来布置爆破孔的空间位置。     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤 层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的 差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔 连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽 放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介 质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距 为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

爆炸荷载和地应力耦合作用下煤体裂纹扩展的模型实验研究

为了研究地应力作用下煤体柱状装药预裂爆破裂纹扩展,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验,并对地应力和爆炸荷载耦合作用下煤体中的裂纹扩展机理进行了研究。该模型描述了在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的;地应力对裂纹的发展具有抑制作用;主应力对于拉伸裂纹的发展具有明显的导向作用。     

瓦斯渗流场作用下煤层抽放钻孔弹塑性解

为研究瓦斯渗流场作用下的煤层抽放钻孔周围应力分布情况,假定钻孔周围煤体中瓦斯的流动为稳定径向流动状态,建立了渗流力学模型,给出了瓦斯径向稳定渗流方程;在考虑瓦斯渗流场作用下,推导了钻孔周围煤体的微元体力学平衡方程,并引入应力调整系数,求解出其弹性应力解析解;再应用Mohr-Coulomb屈服准则,求解出钻孔周围煤体的塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过实例分析表明:钻孔内的抽放负压对钻孔周围煤体应力、塑性区的半径等参数影响较小;在一定的抽放负压(15k Pa)下,随着煤层原始瓦斯压力的增大,钻孔周围煤体的塑性区半径随之增大,距钻孔足够远处的弹性区煤体的应力也随之增大,这比不考虑瓦斯渗流场作用时的经典弹塑性解更加符合实际情况。     

高瓦斯综采面顶板覆岩卸压抽放瓦斯试验研究

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯预抽效果差的特点，在分析煤炭回采过程中顶板覆岩卸压移动规律基础上，提出了利用采动煤层顶板覆岩卸压裂隙发育特征，实施覆岩卸压区走向长钻孔抽放瓦斯。实践证明，顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放是解决低透气煤层瓦斯抽放率低的有效方法，回采面的瓦斯抽放率在20％以上；分析了顶板覆岩结构及关键层层位对覆岩移动规律的影响，给出了顶板走向长钻孔卸压抽放的合理布置区域。     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

突出煤层深孔控制爆破时控制孔的作用

为进行煤层深孔爆破应力传播和有关控制孔作用的研究,以松藻煤电公司实际采用的爆破、炸药和煤层参数为基础,利用三维数值模拟方法,建立煤层长柱状药包爆破数值计算模型。分析了松软煤介质深孔爆破在有控制孔时应力波传播的特点和因爆破作用的抽放影响区域。研究表明:在距爆破孔10 m范围内,有控制孔的孔壁平均有效应力较没有控制孔相同条件下高48%~66%.并随着与爆破孔距离的增加,尽管煤体所受有效应力衰减,但有控制孔的平均有效应力值较无控制孔的比率增大。上述研究结果与现场爆破前后实际取得的瓦斯抽放数据相比基本吻合,证明了爆破前预先设置控制孔的必要性。     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

聚能爆破在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域.根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生及扩展进行了研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了工程试验.试验结果表明由聚能药包岩石定向断裂爆破有明显的定向作用,裂纹的定向断裂控制效果理想,经济和社会效益明显.     

爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度

为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响,通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导,分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率;通过水泥砂浆物理模型试验,研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律;采用LS-DYNA数值模拟软件,建立不同聚能张开角数值模型,揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时,炸药产生聚能效应的有效利用率最大;聚能结构药包聚能槽张开角为75°时,预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包,沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳,炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验,板岩和白云岩两种不同岩性,在孔距增大20%的条件下,双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。     

螺旋管聚能药包根底光面爆破机理研究及应用

针对现阶段光面爆破存在的根底不平整问题以及炸药能量利用率低的问题，提出了一种螺旋管聚能药包。为探究药包的破岩机理，采用LS-DYNA数值模拟和钻孔爆破试验相结合的方法研究了此药包的破岩机理。数值模拟结果表明，螺旋管聚能药包能形成连续金属射流侵彻炮孔孔壁，孔壁被侵彻出垂直炮孔方向的裂缝。用普通柱状药包和此药包进行钻孔爆破对比试验，结果表明，螺旋管药包试样的残留炮孔孔壁有螺旋形侵彻缝，印证了数值模拟的侵彻结果。并且相比于普通柱状药包，其炮孔利用率提高7.2%、扩孔率提高8.4%。将此药包应用于舟山绿色石化基地围垦区，结果表明，螺旋管药包爆破区域根底高度平均比普通装药低14 cm，根底高度标准差比普通装药小12 cm。研究成果在爆破工程应用中有很大价值，可以降低施工成本、加快施工进度、提高爆破效果，适合在矿山开采、井巷掘进等工程中使用。     

断裂控制爆破开采石材机理的研究

本文通过不耦合装药爆炸后形成的动应力场和准静态应力场的理论及有限单元法计算,对断裂控制爆破开采石材的机理进行了分析研究,并做了实验验证。结果表明:当选用合适的炸药并采用一定形式的不耦合装药时,炸药爆炸形成的冲击波对周围岩石不发生破坏,同时依靠炸药爆炸后形成的准静态高压气体,可使岩石沿孔间连线方向形成整齐的断裂面,运用这种机理可成功地在开采石材中归纳总结出爆破参数,推动我国石材工业的发展。     

聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。