底板装药爆破在煤层增透中的应用.pdf

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分类号：单位代码：安反工犬學论文题目：底板装药爆破在煤层增透中的应用作者姓名胡鑫专业名称应用化学导师姓名黄文尧教授完成时间：二—五年六月 中图分类号：论文编号学科分类号：密级：公开安徽理工大学硕士学位论文底板装药爆破在煤层增透中的应用作者姓名：翅鑫专业名称：应用化学研究方向：爆炸技术及应用导师姓名：黄文尧导师单位：安徽理工大学答辩委员会主席：刘永敏论文答辩日期：年月日安徽理工大学研宄生处年月日 ADissertationinAppliedChemistryApplicationofthefloorchargetechnologyincoalseampermeabilityimprovementCandidate:HuXinSupervisor:HuangWenyaoSchoolofChemicalEngineeringAnHuiUniversityofScienceandTechnologyNo.168， 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得安徽理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：曰期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解安徽理工大学有保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）导师签名：签字日期年月祐 摘要摘要我国是能源消耗大国，其中煤炭在能源结构中占有很大部分，随着煤炭开采深度的增加，特别是两淮地区煤矿开釆深度的逐渐增加，其埋深与透气性成反比导致煤层开采过程中的瓦斯突出危险性加大。如何消除煤与瓦斯突出已成为了一项重要的研究课题。近年来，深孔预裂爆破在煤与瓦斯突出危险煤层增透中进行了推广应用，如煤层顺层增透、井筒揭煤等，但在穿层增透爆破装药位置对煤层增透效果的影响，还没有进行深入研宄。本文通过实验室实验、数值模拟与现场试验相结合，分别对煤层以及煤层底板装药对煤层透气性进行了分析。结果表明，在煤层中装药，爆破扰动半径较小，增透持续时间较短，且装药困难；在煤层底板中装药，由于煤层底板岩层钻孔成孔性好，装药方便，爆破扰动半径较大，且底板岩石裂缝不易闭合，在煤岩界面的裂缝相互贯通，增透持续时间较长。本课题对低透气高瓦斯煤层增透的装药设计具有一定的指导意义。图表参关键词：低透气高瓦斯煤层；增透；深孔预裂爆破；底板装药中图分类号： AbstrctAbstractOurcountryisaenergyconsumptionbigcountry,andcoaloccupiesalargepartintheenergystructure,andwiththeincreaseofcoalminingdepth,especiallyinHuainan-Huaibeiareas,theburieddepthandpermeabilityisinverselyproportional,whichcausesgasoutburstmoredangerintheprocessofcoalmining.Howtoeliminatethecoalandgasoutbursthasbecomeanimportantresearchtopic.Inrecentyears,deepholepre-splitblastinghasbeenappliedinanti-reflectionwithhazardofcoalandgasoutburst,suchascoalbeddinganti-reflection,shaftuncoveringcoalandsoon,buttheinfluenceofchargepositionofthoughlayeranti-reflectionblastingoncoalseamanti-reflectionefecthasnofurtherstudy.Inthispaper,theinfluenceofchargeincoalseamsandcoalflooroncoalseampermeabilityhasbeenanalyzedrespectivelythroughthelaboratoryexperimentandnumericalsimulationcombinedwithfieldtest.Resultsshowthat,blastingdisturbanceradiusislesser,anti-reflectiondurationisshorter,andchargeisdificultifchargeincoalseam” 目录目录雜研宄背景煤层瓦斯赋存特点瓦斯的危险性：国内外研究现状本文研宄的主要内容及工作存在的问题研究内容深孔预裂爆破基本理论深孔预裂爆破原理岩石爆破破碎机理爆生气体破裂理论冲击破破裂理论综合作用理论岩土中的爆炸理论无限和均匀介质中的爆炸有限和均匀介质中的爆炸底板装药爆破相似模拟实验基本原理及条件爆破实验相似准则及相似常数的确定实验装置及材料实验装置实验材料的选取实验方案及模型制作药包的设计有机玻璃中和底板装药 安徽理工大学硕士学位论文实验结果和分析爆破后模型对比结果分析本章小结深孔爆破数值模拟模拟软件介绍数值模拟理论基础动力方程质点运动方程质量守恒定理能量守恒定理虚功方程动量方程沙漏粘性控制人工体积粘性控制时间步长控制单元模型材料模型边界条件无反射边界建立数值模型模型的设计原则模型的建立计算模型的力学参数模拟结果分析底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验底板装药深孔预裂爆破增透技术设计参数炮孔角度炮眼深度炮眼间排距 目录现场试验及施工工艺巷道基本情况邻近采掘情况煤层赋存及顶底板岩性地质构造预揭煤层控制程度瓦斯地质资料水文地质特征实施方案效果考察分析结论与展望主要结论展望参考文献 目录 安徽理工大学硕士学位论文 目录 1绪论绪论研究背景煤层瓦斯赋存特点对于低透气高瓦斯煤层，其瓦斯赋存具有如下特点：煤层渗透率总体偏低，渗透率的变动范围很大，通常为，其中，小于占，处于占处于占，处于占，大于占。随着浅部煤层开釆越来越少，建井深度增加，导致地应力增大，渗透率越低煤层瓦斯量偏高，所以瓦斯治理变得越难。如表所示，我国高瓦斯矿井的数量很多，特别是两淮地区存在较多的高瓦斯低透气煤层。随着我国矿井开釆量的增加，其浅部赋存的煤层已经基本采掘完，因此，大多数矿井往深部延伸。随着开采深度的增加，透气性逐渐下降，煤层瓦斯指标逐渐升高，依靠传统的煤层原始透气性埋管抽排瓦斯，已经无法满足满足矿井抽放瓦斯的需要。表瓦斯矿井数与比例国有重点煤矿年产大于煤矿总计矿井瓦斯等级比比数量数量比例％数量例％例％低瓦斯矿井髙瓦斯矿井突出矿井合计瓦斯旳危险性由于两淮地区煤矿开采环境较差，且绝大多数国有大型煤矿都具有瓦斯突出危险性区域，很多矿井对此类安全隐患治理的指导理论和操作方法不够完善，导致由瓦斯引发的灾害事故发生的可能性增大。关于如何消除突出危险性，并没有较为成熟的指导理论和操作方法。现有做法是通过钻孔，埋入管道，把瓦斯从管道中抽采出来，从而减小突出危险性。煤层中的瓦斯抽采不仅是瓦斯灾害防治的一项举足轻重措施，而且也是为了开发和 安徽理工大学硕士学位论文利用煤层气打好基础。由于地壳运动，尤其是一些强烈的构造运动，致使已经形成煤层的地层内部稳定系统遭到改变，甚至发生破坏，内部空间减小，可塑性增强，煤层内部的结构变得极其复杂而且不均勾。造成在煤层中的钻孔进过程缓慢甚至停滞，使得钻孔成为废孔，使得这部分地区的超前抽采率降低⑷。最近几年，通过一些爆破与水力致裂工艺完善了瓦斯治理的技术手段，一些技术也得到了推广应用，但是效果不是很理想。我国两淮矿区在采煤层的深度为左右，主采煤层为层煤与层煤，都是含瓦斯煤层‘，煤层的值为，渗透率为，瓦斯压力可以达，与澳大利亚、美国等国煤层中的瓦斯相关参数对比，我国渗透率低的较多。以前，使用国外引进技术在地上钻孔，放入管道进行瓦斯抽采，也尝试过在煤层中钻孔，放入管道，让瓦斯自然游离出来，可是都没能达到预期的抽釆结果〖。为了降低矿井瓦斯涌出量，矿区对高瓦斯突出煤层采掘生产中的瓦斯灾害采取了开釆保护层的措施来提高煤层透气性，对预防瓦斯灾害的发生已经取得了显著成效，保障矿区的煤炭产量连年增加。但是，该技术受到煤层赋存自然条件和采掘接替布局的影响，很多矿井往往不具备开采保护层的基本条件，所以现在大多数方法在无保护层煤层开采中应用。在底板条带和煤层顺层中预抽采，从而降低瓦斯含量，减小釆掘作业危险性。首先在底板巷道中钻孔抽采，然后在回采工作面作业时，在工作面两帮钻顺层孔进行抽采，此办法主要应用在两淮地区煤质类型的防突工作中。然而，多数矿井的煤层透气性差，原始煤层瓦斯抽采效率极低，在现有的抽采条件下，要达到区域瓦斯治理的预期效果，要花费少则半年，多则一年的时间。即便如此，也不能满足效果。如煤巷割煤过程中，会有瓦斯超限现象，还需在割煤工作面钻若个孔，提前把瓦斯释放出。目前，为了提高底板条带网格式穿层钻孔煤层的透气性，普遍采用的有煤层钻孔扩孔、水力压裂、钻孔施工与水力割缝双动力协同钻割煤岩卸压增透割缝一体化技术等措施先在煤层中钻出空腔，然后在采用水利压裂等方法再生缝隙，是原有的状态改变，力学性质也有所改变。使内部的瓦斯放出来，提高了煤层中透气性。但是此方法作用有局限性。安徽理工大学与淮南矿业集团某煤矿合作的轨顺底板巷深孔煤层内部装药预裂爆破项目进行瓦斯增透，爆破后抽釆记录仪器显示瓦斯抽采的流量 1绪论和浓度在爆破瞬间上升几十倍，但只能持续五分钟左右就回归原来抽放的流量和浓度，之后虽有小幅度波动但很快便趋于平稳，瓦斯抽采效果不理想。而在进行淮南矿业集团某矿南二轨道大巷揭煤深孔预裂爆破增透抽釆瓦斯项目中，选择在底板进行装药爆破，爆破后效果较好，瓦斯抽采流量和浓度在爆破后增加了数倍并且持续二十天左右，在此背景下，本课题作为安徽省自然科学基金项目对煤层底板装药爆破增透技术进行研宄。国内外研究现状为了改善目前抽采率偏低的现状及杜绝因瓦斯而发生的事故，近年来相关工作从事者对如何提高含瓦斯煤层抽釆率及深孔预裂控制爆破方法进行了一些相关探索，如刘泽功、潘峰等人针对低透气高瓦斯煤层透气性系数低的特点，在煤层钻孔中装药爆破，使煤体在爆炸能量作用下，沿着炮孔的直径由里及外，造成破裂和松动，并形成三种破裂分布，在最圈形成了破碎圈、第二圈形成了松动圈，最后在第三部分形成了裂隙圈。炮响之后的瞬间内瓦斯浓度和纯量快速升高，又快速回落，煤层透气性得到了一定改善。但这种方法只有在周边有弱面（抽采眼）等情况下，才能使使煤体内的相邻两孔之间连通。在“十五”期间，安徽理工大学颜事龙、刘泽功、黄文亮等成功研制了专用于此类的炸药，解决了煤层深孔装药和传爆的难题。林柏泉、孙鑫等人研发出了通过穿层钻孔，使用水作为封孔介质进行深孔爆破的技术，这是一种完全卸压的想法，爆破孔又能作为抽采孔，进行抽采。在爆破能和水共同作用下，把相邻不相通孔连接起来，形成网状的缝隙，使瓦斯可以顺利的沿着着管道抽出。沈兆武、罗勇通过石油开采时使用的爆破方法，利用高能气体压裂实验，建立用煤质做成模型的一种新型射孔，通过对射孔方向的控制还有致裂的控制，试验较好的达到了预期目标。翟华、李定远等人针对由于渗透率低，瓦斯难以释放的作业难题，在煤层中采用用深孔增透爆破。充分利用对称的装药模型，使爆炸后产生的能量汇聚到很小的范围内，使聚能帽迫近煤体并在周围形成细小裂缝，且有爆后产生高压气体的作用下，使原有的细小缝隙进一步的扩展，形成了大范围的裂缝。提高了倍的瓦斯释放能力。郭德勇等从理论上验定了深孔预裂爆破时煤层中裂隙发育过程的力学性质，阐明了爆破作用下，煤层的裂缝生成论理， 安徽理工大学硕士学位论文安徽理工大学穆朝民等研究了含瓦斯煤在爆炸扰动作用下的力学特性，利用柱状空腔膨胀理论对含瓦斯煤层中的炸药爆炸直接扰动作用下的力学特性进行了研究，由理论计算、数值模拟与模型试验多方面系统化的探索了煤层致裂机理，在拉伸波和压缩波的共同作用下，煤体产生了裂缝，且破裂区吸收了大量的冲击波能量。黄文务等人为了解决预釆煤层瓦斯抽采缓慢的情况，采用了在底板装药爆破方法，应用结果表明：较爆前瓦斯抽采浓度抽釆纯量均提髙倍，持续时间为一个月。国外也对井下深孔爆破技术有一定的研究，、，、】研宄了如何在印度地区的煤矿中推广深孔爆破，在采用何种钻孔方式与爆炸参数等方面进行了探究，并对如何表征瓦斯危险性、地层行为做了分析。本文研究的主要内容及工作存在的问题深孔预裂爆破增透技术在最近几年的发展迅猛，也取得了很多成就，但还是存在一定的不足，主要体现在以下几个方面：深孔预裂爆破增透技术主要是采用煤层装药技术，但是在高地应力作用下，软弱煤层的增透效果差，达不到瓦斯抽采的目的。在坚硬岩层钻孔时，爆破孔的封孔技术还待探索，爆破工程中对爆破孔的封孔好与坏，直接影响着爆破效果。爆破后，内部裂隙的具体情况没能够再现，其爆破的应力波衰减没能够通过现场实测出来，没能够对其进行量化研究。研究内容依据这几年国内外现状和现有研究条件，结合试验中爆后裂隙发育情况，探宄底板装药技术的特性，并根据实验指导工程应用，本文在下列方向做了探索和实践。以我国两淮地区煤矿深部矿井低渗透髙瓦斯煤层开发过程中所面对的瓦斯治理问题和底板装药技术的操作方式，通过之前相关工作者做的工作和经验总结，从理论到实践的过程，开展底板装药技术的探索研宄，具体研宄成果对类似两淮 1绪论地区地质情况的区进行域瓦斯治理有着少许借鉴意义。具体研宄内容如下：应用炸药爆轰理论、爆破应力波理论，从炸药爆炸作用下煤岩裂纹演化规律出发，研究岩石破裂及其上覆煤层裂隙产生和发育的原因，探索爆破扰动装药位置与裂隙发育之间的关系。使用有机玻璃（材料模拟煤层，依据相似模拟的基本原理，在炸药爆炸理论下，设计和建立底板装药爆破扰动下低透气高瓦斯煤层增透机理研究的实验室相似模拟模型，模拟煤层底板中进行爆破增透，观察测试裂隙扩展变化情况。利用数值模拟软件建立深孔预裂爆破技术数值模型并进行计算，研究不同装药结构爆破后裂隙的扩展情况以及应力变化情况，对比得出合理的装药位置。结合理论和实验室模型实验的结果，在淮南某矿进行工程应用试验，探宄在底板装药下的实用性，爆破参数的合理性，解决两淮地区的瓦斯危害。 安徽理工大学硕士学位论文 2深孔预裂爆破基本理论深孔预裂爆破基本理论深孔预裂爆破原理当在含瓦斯煤层中实施深孔预裂爆破，与露天预裂爆破有所差别。露天预裂爆破是为了使岩体破裂，便于后期剥离，而煤矿井下深孔预裂爆破是利用不稱合装药在含瓦斯煤层中进行深孔预裂爆破，使煤层爆破孔与弱面内部产生大范围的网状裂隙，使瓦斯抽采产生通道，从而瓦斯的抽采率提升，煤层的透气性得到改善。所以不仅要形成一个平面的裂隙网，而且还要形成一个以爆破中心为轴三维的裂隙网。控制孔充当弱面作为辅助自由面也作为抽采孔，方便了钻孔过程，减小了工作量。除此之外，在含瓦斯煤层中，还有瓦斯压力的作用，所以研究过程中，也不能忽略瓦斯压力对裂隙产生时产生的影响。岩石爆破破碎机理利用炸药爆炸破裂岩石的方法一般分为三种，第一种是通过产生的爆生气体破裂岩石，第二种是通过冲击波破裂岩石，而第三种是通过前两者的共同作用破裂岩石，目前普遍赞同第三种理论。爆生气体破裂理论当药包发生爆炸后，炮孔内部瞬间生成了大量的高温气体，由于炮孔空间很小，所以压力很大，就在孔壁周围产生了向外膨胀的应力及径向位移，由于孔壁上的应力大小不同，导致了剪切应力的产生，所以岩石质点位移大小有所不同，当剪切力大于岩石内部的作用力时，便造成了岩石内部的裂隙产生、自由面附近岩石的隆起、鼓开或者沿径向方向从自由面一边推出。这个理论在主要强调爆生气体的作用。后来村田勉等人在近代观点的基础上做了较新的注释，完善了这种理论。冲击破破裂理论在岩石钻孔内的药包被起爆后，由产生的高温、高压冲击波猛烈的作用在周边岩石，并在岩石内部产生作用。由于应力波的强度很大，岩石自身的动载抗压强度相比下太小，致使岩石周边的过粉碎。当这种强烈作用的应力波传递一段时间后，作用能力很快的衰减，甚至小于岩石自身的动载抗压强度后，就不能致使岩石产生过粉碎。但在传播一段时间遇到弱面后，根据波阻抗原理，便会产生反 安徽理工大学硕士学位论文射拉伸波，由于较之与抗压强度，岩石的抗拉能力很弱，便在反射拉伸波的作用下，使岩石产生了层落式破裂，直到小于岩石的动载抗拉强度时，便不再产生破裂。所以在压缩波和拉伸波的作用下，使岩石产生了破裂。综合作用理论多数人认为在冲击波和爆生气体的共同作用下致使岩土产生破碎。即两种形式在针对不同种类岩石和爆破的不同阶段所产生的作用不同。在岩土中装药时，起爆后，瞬间岩土内部产生剧烈的冲击波与大量的高温高压爆生气体。由于岩土的抗压强度要远远小于爆炸产生的压力，这样就会在爆破孔周围一定距离内产生被剧烈压缩、粉碎的岩土，我们将这一范围称为压缩粉碎区；在这个过程中，耗损了很大一部分能量，所以当在岩土内部传播后，便由不那么剧烈的应力波形式以炮孔为中心，向四周传播开来。在离粉碎区不远的位置时，岩土质点在应力波的作用之下，同样会有径向的位移，尤其是当岩土质点贴近粉碎区周边时，还会产生切向拉伸。如果岩土的抗拉强度小于切向拉伸应力时，便会产生径向裂隙，随着应力波的继续往外传递和扩大。当随着距离的增加，煤体的抗拉强度比传递到的应力波能量大时，便不能产生新的裂隙。然后随着爆生气体的跟进，到达了之前由冲击波作用拉裂的径向裂隙，在气体的尖勞作用下，造成了之前的裂隙再一次扩展开，由于裂隙的扩展，内部体积增大，导致气压迅速减小；随着压力下降，积累在煤体内部的弹性能便开始释放，并顺着炮孔的中心方向向外传播出去，卸载波就这样形成了，煤体内便产生了环向裂隙，可环向裂隙的数量较少，如图所示。环向裂隙和径向裂隙在裂隙区内纵横交错。爆生气体随着爆炸应力波过后的一段时间内产生一个准静态应力场，并很快楔入之前由应力波造成的裂隙，使应力在尖端集中，进而在此扩展裂隙。在此过程中，爆生气体会进入更容易进入的一些裂隙中，这样对气体楔入阻力较小，如平直、较大的裂隙中，其次在到达与之贯通的娇小裂隙中，直到能量下降到不能扩展裂隙为止。一般认为，与爆破孔中心之间的距离和准静态应力场成反比例关系，随着距离炮孔中心的距离增加，应力场逐渐衰减，这种反比例关系同样存在于煤体内部。爆破裂缝沿着炮孔的径向向外扩展发育。同时在轴向方向也存在这种关系，总之，裂隙会以炮孔为中心，沿着应力衰弱的走向发育扩展】。通过分析爆破孔四周裂隙的扩展情况，为了简化这个过程，更好的演示这个过程。通过假设煤体是一个线性弹性体，所以我们可以使用线弹性断裂力学来解释，其断裂 2深孔预裂爆破基本理论力学模型如图所示。丄丄丄丄丄丄丄丄丄丄卞““卞卞“图裂隙扩展的断裂模型根据线弹性断裂力学的知识，在孔压的作用下，裂隙尖端的应力强度因子用公式表示：式中：一裂隙扩张瞬间长度，一孔壁压力，一地应力，。应力强度因子随着地应力值不断增大，呈线性不断下降。而且离爆心距离越远，越小，也会减小。当衰减到临界值时，裂隙将不再扩展。这时裂隙。停止扩展条件为：式中：一动态断裂韧性，通过静态断裂初性得出岩石的值，其公式为：式中：—静态断裂初性，由上可知，两孔间裂隙贯通的条件是： 安徽理工大学硕士学位论文所以相邻两孔的间距：由爆炸特性可知，爆生气体对阻抗低的岩石作用时，效果较好；而爆炸冲击波对阻抗较高的岩石作用较好。虽然对于不同性质的岩石，二者作用效果不一样，所以哪种理论占主导作用，还是有分歧的。这类分歧，还是会存在很长时间，伴随着爆破理论的进展。岩土中的爆炸理论通常把在岩土中装药的爆炸现象，称作岩土中爆炸。地层本身是一种很不均勾的介质，颗粒之间存在着较大的空隙，即使是同一岩层，各部位岩质的结构构造与力学性能也可能有很大的差别。所以在研宄此类爆炸现象的时候，存在较大的困难。下面讨论装药在煤层中以及岩层中爆炸的基本现象。无限和均勾介质中的爆炸如下图为一个球形装药结构的剖面。起爆完，向四周传播一个波速相同的爆轰波，传播速度为爆速，远远大于在煤层中传播的应力波波速，且其变形速度也要小很多。所以从理论上任务，在爆炸瞬间，药包爆炸同时作用在四周的介质上面，同时忽略掉起爆点和炸药的本身特性造成的影响，这就是我们一直使用的中心起爆模型。且由于爆炸的时间是瞬间发生的，所以并没有发生大量的热交换，可以忽略掉热交换过程，称为绝热反应。—爆破腔；—压碎翁区；—破裂区；—环向裂隙；—，径向裂隙图无限介质中爆炸现象岩土的抗压强度最大也只能达到几百兆帕，而爆炸气体的压力却有几十万个大气压之高，在这种能量的作用下，装药周围的岩土强烈的被压缩，完全遭到破 2深孔预裂爆破基本理论坏，质点被压得粉碎。周围岩土在爆炸产物强烈的压缩下产生的径向位移，产生一个空腔，如上图所示，是区域所示部分，称为爆炸腔，在区域以外，形变较大，假设煤层为均勾介质，在此部分为一个滑移体系，在此部分，岩土内部会被压破，产生较大的变形，并且能产生明显的裂纹，此部分被称为压碎区。且在此部分中产生了一股超声速的冲击波。随着冲击波阵面与装药之间距离的增加，能量分布与距离的立方成正比的体积（空间）内，从而冲击波的压力迅速下降。当离装药中心一定距离时，超压即低于岩土的强度极限，则变形特性也跟着产生了变化，压碎和滑移面消失，且岩土结构不受破坏。但由于岩土受到爆炸冲击波的压缩会发生径向向外移动，这时介质中的每一环层微元受到拉伸应力的作用，当这个拉伸应力超过岩土的动载抗拉强度极限时，那么就产生从爆炸中心向外辐射的径向裂缝，这个区域称为破坏区，这个区域比前两个区域的范围要大得更多。径向裂缝形成后，由于裂缝端的集中，可以使裂缝进一步延伸到较远处。随着爆炸冲击波的继续传播，波幅不断下降，当煤层中形成的切向拉伸应力小于煤层抗拉极限强度时，就不在形成新的裂缝了。由于惯性的存在，在爆炸冲击波从爆炸腔脱离以后，岩土质点继续从装药处移去，从而引起爆炸腔内产生负压，即是在爆轰理论中所说的稀疏波向着爆轰产物在传播。随着传播距离的增加，超过区域后，能量已经很弱了，远远低于沿途的抗拉强度，不在能让岩土产生裂缝，只有质点的振动，这个部分称为振动区。且随着距离的增加，振幅也相应的减小上面介绍的三个区域并没上面严格的分界，也没有明显的特征点，各个部分的大小与炸药的本身性质、装药量的大小、装药的结构以及岩性有关。有限和均勾介质中的爆炸上节介绍了装药在无限模型的煤层中爆炸后，所产生的物理现象。事实上，大部分地表的爆破作业的装药深度都是在一个有限的岩层介质中，在近地表的区域起爆。图所示，炸药在由岩土一空气形成的自由面的介质中爆炸，冲击波以装药为中心，向四周传播，这时现象在前面已叙述过。爆炸冲击波到达自由面后，从波的传播理论可以得到，压缩波反射成拉伸波，向装药中心传播，如下图。在冲击波和爆生气体的共同作用后，造成装药中心上方介质凸出，从而产生拉伸波 安徽理工大学硕士学位论文和剪切波；这些拉伸波和剪切波顺着爆炸中心向外传播方向的表面上，由于距离很近，能量很大，能够引起振动最大的波幅。这些波的本质知道最近才得到较为充分的认识。自由面反射拉伸波角优势径向裂纹爆炸腔、图反射拉伸应力波延伸径向裂纹作用示意图在应力分析的基础上，当拉伸主应力垂直于纸面）出现最大值时，拉伸应力是产生径向裂纹的根本原因，随着值的增大逐渐发生偏转，最后垂直自由面，生成的裂纹似机花状排列。自由面七￡‘巧—药包图岩体中各点的主应力方向 3底板装药爆破相似模拟实验底板装药爆破相似模拟实验本实验将运用相似模拟装置模拟煤矿井下的高应力状态，通过测试煤体和岩体中的裂缝分布来反应其在爆破扰动下的受力情况，进而间接分析出影响底板装药爆动对煤体瓦斯透气性变化的影响因素。基本原理及条件实验模型的设计需要有科学的理论指导，其重要的理论就是相似理论。相似理论在实际的使用当中可以总结归纳为三个定理：相似第一定理。具有一定相似性的自然现象必定服从相似的物理规律，如果相似的规律能够用一些具体的方程式来表征，则其方程表达式必须保持一致，而且之间的相似法则一定具有相同的数字。相似第二定理。若两者为相同的物理现象，如果具有相似的单值条件并且各个条件中的相关物理量的组成相似或分别相等时，则可以说两者一定具有相似性。这一定理是判定各个量之间是否具有相似性的充要条件；相似第三定理。例如一个简单的物理模型系统中有个变化量，包含的个量是基础量，包含的个量是具有相同量纲的变量，则这个系统可以转换成个简单的没有量纲的基本数量群，和个由基本无量纲群转换的综合数群，并且这些无量纲群之间的关系可以用一个具体的函数表达式表示出来，即‘‘“依据上述的相似三定律，具有相互对应的系统之间具有一定的相似关系则表明了：表示对应的两个相似性的系统之间的一些相互对应的点上的物理量的一些数值之间应具有一个比例常数，叫做相似常数；表示两个对应的系统相应的点在动态作用下变化规律的描述方程具有一定的相似性，或者说各个具有相似性的常数间具有一定的联系，称为相似准则。可见要使两个体系保持完全相同所需要的条件是十分苟刻的，但如果涉及到某一项比较具体的问题时，只需要将需要研究的主要变量和对实验影响较大的相似常数准确选取就可以了。按照判定一般现象是否具有相似性的相关原理，实验模型与相似原型之间应满足下列条件：几何相似 安徽理工大学硕士学位论文设相似原型（现场）的几何参数为，实验室模型对应的参数为，选取几何参数相似比例（实验室模型参数与现场原型参数比例）容重相似设原型（现场）中的第层岩层的容重为实验室模型中与之相对应的模拟岩层的容重取为取模拟实验的容重相似比例为：时间相似由于在实验室模型与现场原型中重力加速度的数值应保持相同，因此，时间相似系数选为：芯弹模相似假设现场原型中各种物理介质的弹性模量为实验室模型中与之相对应的材料介质的弹性模量为，则弹性模量相似系数取为：强度相似设原型中各岩层的单向抗压强度为，模型中相应岩层的单向抗压强度为取强度相似系数：泊松比相似设原型中各岩层的泊松比为模型中相应岩层的泊松比为取泊松比相似系数—“应力相似设原型中各岩层内的应力为模型中相应的应力为，取应力相似系数■： 3底板装药爆破相似模拟实验本次实验选择两淮矿区的某一典型矿井，在现场测定和分析钻孔瓦斯抽采半径、抽采浓度和抽采率。同时，从井下现场获取煤岩试样，在实验室进行力学特性参数测试和分析，获取煤岩体的透气性和物理力学参数，然后根据力学特性和相似比关系，制取煤岩体相似模拟材料，并按照相似定理和相关原则构建实验室相似模型。爆破实验相似准则及相似常数的确定模拟底板装药爆破增透效果要受到许多因素的限制因次在建立相似模型时，忽略其它影响因素，只对那些影响爆破裂隙产生和发展的主要因素来进行模拟。简化问题的假设如下：煤体结构均勾，煤体位于平面应变状态，多孔各向同性介质；只探究爆破前后的裂隙状态，忽略爆破的中间过程以及外界环境的影响。结合工程现场的实际条件，通过分析确定底板装药爆破相似模拟实验的主要考察参数，在两淮某矿区现场实验，采用煤矿瓦斯抽采水胶药柱进行现场实验装药，炸药为三级煤矿许用水胶炸药，被筒连续装药。设计爆破孔径，抽采孔径。爆破孔每米装药量约。工作面具体参数见表。表淮南某矿工作面主要参数参数单位数值煤层埋藏深度煤层厚度采髙工作面长度煤层倾角°。瓦斯压力煤容量普氏系数进行相似模型实验的几何比例的选取时，应充分考虑实验条件，尽量减小模型边界条件对实验效果的影响，若该比例数值选取过大，在进行实验模型制作时可以减轻工作量和原材料，但按照相似比得到的模型中的孔径过小，无法进行装 安徽理工大学硕士学位论文药或者装药起爆后不能成长为稳定爆轰，在平衡两者之后，本试验选取几何相似比为，也就是本实验模型的比例尺为。容量相似常数的变化范围因受客观因素限制的影响故不能选取太小，在本试验选取容量相似常数为。通过几何比例和容量比例两个变量即可进行实验室模型各个相关参数的换算。孔长参数的调整对平面应变模型的扰动较小，综合分析实验室条件和实际的可操作性实验装置及材料实验装置本次实验采用安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业自行设计的密封爆破实验装置，进行底板装药爆破模拟实验，该实验装置外观见图。此装置是可以分层加装和拆卸的，使用方便，层与层之间使用螺丝加固，在底面采用钢板加固，在上层采用钢板和槽钢加固。由于该实验选取的几何相似比例为，所以该装置的具体几何尺寸为：长，宽，高。该实验装置的基本原理是模拟煤矿井下装药爆破时受到的高地应力，故在外部釆用密集螺丝紧固，从而达到限制模拟材料向外运动的作用。在箱体上部与下部开有圆孔，作为测试线和放炮线的出线孔。图相似模拟爆破实验装置实验材料的选取为最大限度满足相似条件，并能进行重复实验，实验材料主要采用水泥、黄砂为原料进行顶底板的制作，为了更好的研宄底板装药爆破方法的适用范围，以及更好的观察爆破实验后裂隙范围的形成，采用透光性较好的有机玻璃（ 3底板装药爆破相似模拟实验进行煤层的模拟，同时有机玻璃与简化的煤体具有相似的物理力学特性，两者都是脆性物质；简化的煤体假设是均勾结构的物质，其具有各向同性，这样，有机玻璃与其相似；而混泥土制成的模块透光性差，不便于观察，所以选用透光性能好的有机玻璃作为模型材料。具体配方及实测力学性能见表和表。表岩层模拟材料的相关参数质量配比密度抗压强度弹性模量泊松比水泥：沙：水岩层表的相关参数密度抗压强度弹性模量泊松比实验方案及模型制作药包的设计药包设计选用雷管体，底部装炸药，装药量为，再压入延期体后卡印，再将导爆管套一个塑料塞后放入雷管体中卡印，具体结构如图所示。导堪管塑料塞—、—管体图药包结构设计示意图 安徽理工大学硕士学位论文有机玻璃中和底板装药利用有机玻璃来代替煤层，其模型制作时底板厚度为，顶板厚度为有机玻璃的厚度为。有机玻璃底板和煤层中装药的具体结构分别见图和图。顶板■：”底扳图底板装药意图顶板有璃麵图有机玻璃中装药示意图实验结果和分析爆破后模型对比在模型装药爆破后，我们将试件底板和煤层剥离以便于观察爆破效果。 3底板装药爆破相似模拟实验，■漏图有机玻璃装药爆破后材料裂缝图有机玻璃底板装药爆破后材料裂缝如图所示，煤层中装药爆破后材料所产生的裂缝数量偏少，长度大于，长度比较长，但是总体观察辖射区域较小；而图中，底板装药产生的裂隙不但数量较多，福射区域也较大。在对图的裂隙进行编号测量的长度如下所示。图裂隙编号示惫图 安徽理工大学硕士学位论文表底板装药下材料裂隙长度裂隙长度结果分析如上表所示。进行底板装药实验后的模型效果图可以看出，裂隙的长度较均勾，且呈对称分布。而在煤层中爆破时，裂隙有一条超过，其余裂隙长度都较短，且裂隙数量少。所以底板装药爆破作用下裂隙的产生比煤层中装药爆破后产生的裂隙裂隙范围大，辐射区域广泛。本章小结通过模型试验对比得出：进行深孔预裂爆破增透试验时，在选择装药位置时应充分考虑煤岩特性，对于松软煤层选择底板装药不仅能够使煤层底板岩石裂隙发育，还能够利用煤层弱面使得爆破作用更多的集中在煤层和煤岩界面中，使煤层充分扰动。 4深孔爆破数值模拟深孔爆破数值模拟煤体爆破是个动态的过程，对其研宄的关键是对煤岩爆破损伤断裂过程的研宄。通过对煤岩应力以及应变变化规律的研究，能够更好的分析煤岩爆破损伤机理、爆破断裂过程，对于更好的掌握机理并运用到实际有着重要的作用。随着流体力学，岩石力学等力学理论发展与完善，同时进入新世纪以来，计算机技术的快速发展，有限元理论日趋完善，有限差分方法和动力有限元的发展已很成熟，对于岩石爆破的数值模拟得到长足的进步，对其动态的爆破过程以及裂隙发展情况有了较为清晰的分析。本文利用显式非线性有限元程序，运用滑动接触算法模拟了不同装药位置情况下，煤层所受炸药爆炸作用的动态响应；通过对煤层等效应力云图及观测点应力曲线的观察和分析，使得对煤层中裂隙的产生和发展趋势有了更深入了解。模拟软件介绍目前最常用的一种的显示动力分析软件，其功能较为强大，能够真实模拟现实生活中的许多复杂难题，软件集结构、热、流体、稱合场等分析于一体，对各种二维、三维非线性结构的高速碰撞和爆炸等非线性动力学问题的求解具有很髙的准确性和精度。通过工程实践的应用与数值模拟的对比分析可以看出，该软件在工程应用领域计算具有十分的可靠性。功能十分的强大，其主要体现在：程序的分析能力强大，其能够实现几何非线性动力学的分析、多物理场親合分析、多紅体动力学分析等。其材料库拥有的大多数常见材料的材料模型，包含多种的金属和非金属材料，如炸药、金属、水、混凝土和土壤等。算法既有适用于金属成型分析的拉格朗子算法、流体分析算法、流固稱合算法，同时还涉及到多种接触算法，能适用于大部分的冲击接触问题主要用户涵盖了：机械制造、能源开采、土木建设、水利建设等众多领域，其分析结果对上述领域的科研和工程建设具有重要指导作用和参考价值。程序运用于工程实际问题的仿真分析过程如图所示： 安徽理工大学硕士学位论文前处理—后处图数值仿真分析过程数值模拟理论基础随着有限元理论及数值分析理论的不断发展，许多在工程实际分析中无法得出理论解的物理方程，将得到十分精确的数值解，为工程实际问题的解决提供理论基础。本文所涉及的工程爆破领域，应用有限元的方法为其数值模拟计算提供了解决的方法。在实际的应用和计算，构造的物理模型动力学问题的计算模拟，是建立在能量守恒、动量守恒、质量守恒方程等理论基础上的，算法和算法是描述物体运动过程的基本算法，结合对力学模型的分析，利用网格能很好地描述材料随物体一起运动和变形的特性，本文选用算法。动力方程式中：一柯西应力；一介质质量密度；一介质单位质量体积力。一单个节点的加速度；其应力边界条件表示为：式中：，，—当前结构模型边界； 4深孔爆破数值模拟—面载荷。位移边界条件式中：，，—给定位移函数滑动接触面间断处的跳跃条件可表示为：质点运动方程假定在初始时刻时，质点坐标是，，则任一时刻？，该质点坐标可表示为：初始条件指时质点的位移和速度状态：式中：，，—质点初始速度。质量守恒定理式中：一现时质量密度；一介质的相对体积，且；—初始质量密度。能量守恒定理偏应力可表示为：压力可表示为： 安徽理工大学硕士学位论文式中：当前结构形状的体积；—介质的应变率张量；一介质的体积粘性阻力。虚功方程动量方程联立边界条件，经变化后可得到平衡方程，表示如下：式中：—介质质量密度；一单个节点的加速度；￠—柯西应力；；一单位质量的体积力；八，，面力载荷；一节点的坐标。在边界面上符合位移边界条件。结合散度定理，由分步积分变换得：、因此，虚功方程由平衡方程变化后表示如下：—沙漏粘性控制由于程序在进行工程计算过程中，常采用显式中心差分法对时间积分，而积分中各时间步长是单元计算所需要时间占整体结构计算所需要时间的比例，故非线性动力分析程序往往比较耗时。同时因常采用单点积分，极易出现沙漏现象，常引入沙漏粘性阻尼力来避免沙漏现象（零能模式），沙漏粘性 4深孔爆破数值模拟阻尼力可表示为：⋯式中：—沙漏模态模值，负号指方向与，形方向相反；常量，为—当前质量密度；—单元的体积；一介质的声速。计算中，常常应考虑整体沙漏粘性阻尼力，用符号代表。故而运动方程可变成：人工体积粘性控制为克服介质内部的部分物理参数压力、密度、能量等不连续所引起的计算困难，通常采用改善的人工粘性控制：———￡；式中：。一常数，无量纲；一常数，无量纲；一局部声速。在程序中，一般采用多维体积粘性来计算分析，常用有缺值粘性和粘性。多维粘性中速度的散度，可近似等同于应变率张量。缺值粘性，■ 安徽理工大学硕士学位论文在二维中，而’默认。，。但是会因为单元尺寸不当而造成粘性值异常。粘性八―—出，生式中：一单元在加速度方向的厚度；一加速度方向的应变率；。尽管粘性某些方面均优于缺值粘性，但后者的计算量要比前者简单。时间步长控制在程序中，时间步长一般通过变时间步长增量解法来进行计算】。即首先分别计算出各单元极限时间步长，⋯⋯，下一时间步长则取其最小值。然而，不同单元类型，其极限时间步长计算方式也各不同，如壳单元极限时间步长计算如下：式中：—时间步长因子，默认值为。单元模型选取为单元模型。材料模型煤岩体本构方程炸药剧烈爆炸过后，爆炸引起的冲击波在煤岩体形成一定范围的破坏变形区， 4深孔爆破数值模拟其大部分为弹性变形区，爆炸所产生的波动在该区传播为弹性波。煤岩体材料本构方程如下式：式中：—弹性矩阵，同材料弹性模量五与泊松比相关。岩体屈服准则在实际模型计算中，选用最大剪应力准则（屈服准则及畸变能准则屈服准则）。年，通过对各种介质材料基本特性的研究，提出了著名的屈服准则。此准则可描述为：若材料最大剪应力等于某一极限值材料将会发生屈服。该准则可如下表示：狐当时，则：所以，普通应力的函数表达式如下免一：】从上述公式所显示可知，此屈服准则仅仅是关于主应力的方程，若主应力已知，求解简单。但是，通常情况下，主应力未知，且涉及除主应力外的其它应力的存在，一般不便于数学计算。由于屈服准则适用条件有限，年，经研宄后得出畸变能屈服准则，假定介质内任一点的应力畸变能只要达到极限值尺，必定屈服，即：式中：—尤一介质的屈服特征参数。经典塑性力学理论中，有效应力如下：士因此，由有效应力而得屈服准则如下： 安徽理工大学硕士学位论文免所以；当允，则；屈服准则也可表述为：当材料等效应力值大于其屈服强度值时，材料呈塑性变形。许多试验结果都证明：准则优于准则。故模拟中常用有效应力来观察煤岩体中的应力分布。高能炸药材料在对爆炸力学系统的模拟计算中，髙能炸药爆轰压力变化范围较大，一般很难找到一个准确的方程来描述，常采用状态方程来描述，其形式如下表示：式中：—爆轰压力，；—炸药的性质参数，—炸药的性质参数，无量纲；—炸药的性质参数，无量纲；一爆炸产物的相对体积，—炸药的性质参数，’及—炸药的性质参数，无量纲；五。一爆炸产物的内能，。边界条件在本实际工程中，因炸药与煤岩体材料性质差异不大，其间存有接触面，会有相对碰撞滑移，故其接触算法选择滑动接触算法。同样，爆生气体与固体介质表面间的接触界面可设置为滑移界面》无反射边界无反射边界条件，即在边界面间不进行应力波的反射和折射，无反射能量及折射能量的消耗。其主要目的是为实现无限大模型的模拟，同时使模拟计算更简便，便通过对模型的边界设置来减小模型尺寸。其边界面上的正应力剪应力 4深孔爆破数值模拟大小分别正比于单元体法向振动速度、切向振动速度，负号表示应力的方向。—式中：一煤岩体密度，；—纵波的波速，，质点法向振动速度，一剪切波的波速，；—质点切向振动速度，。建立数值模型模型旳设计原则为了能够保证模拟结果的更加真实和接近实际情况，在建立物理模型时要确保尽可能接近实际现场，因此，建立好的物理计算模型显得尤为重要。为建立准确的物理计算模型，须遵循一下原则：一般在建立模型为了便于建模和计算会简化模型实体，但其模型中的材料的物理力学参数不能够改变，要尽可能的与实际材料中的物理力学特征参数一致。现场实际工程中大多为无限空间中进行的，但对于数值模拟计算来说，很难做到对无限空间的模拟，实际的模拟只是一定的范围，为了使模拟的结果更加的真实可靠，必须对模型设置更加可靠合适的边界条件。爆破卸压增透效应同时间、空间有着重要关系，因此在建立计算模型的时候也须体现出随时间空间变化规律性。物理计算模型在建立的时候要进行综合的考虑，所建的计算模型的尺寸应合适，网格划分应合理，同时要方便计算。模型的建立为了实现模拟的结果的具有可靠性，所建立的模拟模型应当遵循模型设计原则，建立的模型尽可能的接近实际情况。本文主要建立了只有爆破孔，有爆破孔和控制孔，不同孔间距的爆破过程裂隙变化情况，所建立的模型如下图所示。 安徽理工大学硕士学位论文！作■、、、■、、、、、、图数值模拟模型图备注：—顶板，尺度为—煤层，尺度为一底板，尺寸为。上下面及环面设置为无反射边界，左右面设置为对称面。、为爆破孔装药处。为煤层装药；为底板装药。岩石和煤采为随动塑性材料模型。计算模型旳力学参数在实际中，煤岩体抗压不抗拉，因为它的抗压强度很高，而抗拉及剪切强度却很低，其应力应变关系也即其本构方程，也并非为简单的线性关系。煤岩体强度低于屈服强度时为呈线弹性变化，超过即表现为非线性的塑性变化。为准确描绘出煤岩体的力学变形，特采用莫尔库企屈服准则。其本构方程表示如下：式中：—指与屈服准则有关的矩阵。煤体的破坏由煤体材料的屈服引起。本文采用程序中提供的来描述煤岩材料物理力学性质。其参数见下表所示。 4深孔爆破数值模拟表顶板材料模型密度弹性模量泊松比屈服强度剪切模量抗拉强度抗压强度失效应变表底板材料模型密度弹性模量泊松比屈服强度剪切模量抗拉强度抗压强度失效应变表煤层材料模型密度弹性模量泊松比屈服强度剪切模量抗拉强抗压强度失效应变度深孔预裂爆破的炸药参数本文炸药材料模型具体参数见表。表药柱材料参数表密度爆速 安徽理工大学硕士学位论文模拟结果分析在煤层中装药爆破时，根据建立的模型和边界条件的计算，得到有效应力传播图如图所示。■■二濯‘，盡羅—⋯！了￡■■■■，’：二一一■■￡■”妨】醒、￡■《图煤层装药时煤层中各时刻有效应力云图在底板中中装药爆破时，根据建立的模型和边界条件的计算，得到煤层中有效应力传播图如图所示。 4深孔爆破数值模拟！丨■—二二■；二■她！：；】士？二了！■】《？；糾叫湖“《，■说观粟图底板装药时煤层装药时煤层中各时刻有效应力云图为能够分析清楚煤层与底板爆破过程中的应力变化情况，在煤层中的孔径方向上分别取个点，径向上从处，每隔取一个点来反应煤层中的应力变化情况，有效应力随时间变化曲线图如图所示。 安徽理工大学硕士学位论文在煤层中装药时，煤层中不同观测点有效应力随时间变化的曲线图如下图。丄：、卜广、—丄■——卜⑴么——￡：一⋯；離論‘：——一“广？二一⋯二參广 4深孔爆破数值模拟！—通丨§！；■。似：：丨、、‘！；。抑⋯彳、，‘■‘：广丄、‘；—”￡丨系上广、⋯龜》、’’图煤层装药爆破时煤层中不同观测点有效应力随时间变化曲线在底板中装药爆破时，煤层中不同观测点有效应力随时间变化的曲线图如下图。 安徽理工大学硕士学位论文『一———一￡？—￡“—『，■二‘、——⋯士、、、：广土。”⋯途‘一马。⋯⋯⋯肩藝纖广、一—“—⋯⋯⋯⋯广，量 4深孔爆破数值模拟彳乂乂——￡”■图底板装药爆破时煤层中不同观测点有效应力随时间变化曲线由表可知，煤的抗拉强度为，，当有效应力超过了这个抗拉强度后，煤层会被拉力裂，产生裂缝，上图和图中，把煤抗拉强度表征在轴上的数值时，有下列公式表示：式中：—有效应力临界值；和—和。由图可知煤层装药时，煤层中轴向裂隙范围如下表。表裂隙范围轴向范围 安徽理工大学硕士学位论文由图可知底板装药时，煤层中轴向裂隙范围如下表。表裂隙范围轴向裂隙通过表和表可得，当在煤层中装药爆破后，裂隙范围很小，而在底板装药时，爆破后裂隙范围是很大的，轴向距离为以内的时候，底板装药情况下的裂隙范围是大煤层装药的，当轴向距离超过的时候，裂隙范围是煤层装药的大于底板装药。因为两淮地区的煤层一般在小于，很少有到左右厚度的煤层。所以通过比较爆破增透范围，在两淮地区，采用底板装药技术在爆破煤层扰动中产生的效果较好。 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验底板装药深孔预裂爆破增透技术设计参数采用钻孔直径为的钻机打眼时，炸药选用直径为的煤矿瓦斯抽采水胶药柱每米。釆用钻孔直径为的钻机打眼，选用直径为的煤矿瓦斯抽采水胶药柱每米优先选用大孔径爆破，雷管使用段煤矿许用电雷管起爆。炮孔角度炮眼角度是保证深孔松动爆破增透的一个重要参数，倾角过大，导致爆破沿煤层倾向方向爆破范围缩小，炮眼数目增多，工作量增大；倾角过小，虽然可以增大煤层倾向的爆破范围，但装药位置与底板的距离减少，爆破后可能导致底板过于破碎，釆煤时底板难于管理。因此，必须确定合理的炮眼角度。炮眼角度与炮眼深度、煤层倾角、底板处理高度、炮眼开孔位置与底板的距离有关。炮眼角度一般有两个方向角，即顺层水平角和穿层仰角。炮眼深度深孔松动爆破炮眼长度与切眼长度和煤层倾角有关。一般切眼长度小于时，采用单向钻眼，即在工作面的回风平巷向工作面底板钻孔，为了使爆破对机巷不产生影响，孔底距机巷的水平距离一般不小于。当切眼长度大于时，采用机巷与风巷双向钻孔，两巷炮孔孔底的水平距离应大于。在计算炮眼深度时，首先要确定煤层爆破长度，即炮眼在水平方向的投影长度，再由炮眼投影水平长度及炮眼倾角进行计算炮眼深度，即炮眼间排距深孔松动爆破增透形成的裂隙带必须有一定的宽度，宽度大，扰动明显。为了保证能够充分的扰动煤层，必须确定合理的爆破宽度，即炮眼排数。爆破宽度与切眼长度有关，爆破后的裂隙相互交圏，形成裂隙网。目前爆破裂隙圏半径计算公式较多，其中最常用的公式为： 安徽理工大学硕士学位论文姊（式中：松动圏半径；应力波初始径向应力峰值，应力波衰减值，炸药爆速；炸药密度；。药包半径；炮眼半径；岩体抗拉强度；泊松比；压力增大系数。为了保证爆破效果，炮眼排距应小于倍的裂隙长度。现场试验及施工工艺巷道基本情况南二下盘区煤层回风大巷由南二煤层回风大巷岩石段）原停头位置开始按°方位、。坡度继续向前施工至起坡点，然后按°上山起坡在煤层底板中穿层施工（约直至进入煤层并沿煤层施工。该巷道主要用于南二采区下盘区的回风。巷道设计全长，底板设计标高为。邻近采掘情况与南二下盘区煤层回凤大巷相邻的南二煤层回风大巷（一）、南二煤层回风大巷（二）以及南二轨道大巷、南翼胶带机大巷均已施工完毕，除南翼胶带机大巷在揭露过煤层外，尚无其它巷道揭露过南二下盘区煤层。区内地面先后进行了地质勘探、三维地震勘探以及地质补充勘探等工作，这些勘探工程基本控制了区内的煤层赋存情况。 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验煤层赋存及顶底板岩性根据钻孔资料分析，煤层在区内发育稳定，附近十五钻孔揭露厚度为下部含一层厚的泥岩夹肝；煤层为块状、碎块状，弱玻璃光泽玻璃光泽，暗煤、亮煤为主，夹镜煤条带，半暗型半亮型。煤层直接顶板为的泥岩和厚的炭质泥岩，直接底板为的泥岩其下发育有厚度的炭质泥岩。具体情况见综合柱状图。浪岩灰色块状，断口平風偶见擦痕，见植物莲叶化石，煤弱自光泽属半暗型煤，下部发育一层泥质夹奸，煤层黑色块状粉末状，条痕黑色以暗裝亮煤为主，见少量镜泥岩灰色致密块状，性簾断口平坦，见较多植物茎叶化石，一—图综合柱状图地质构造根据钻孔资料及三维地震勘探资料分析，南二下盘区煤层回风大巷揭煤掘进段无已知断层，不排除有小构造的可能。预揭煤层控制程度本掘进段内发育的主要标志层有：、在煤层底板，距煤层平均法距约发育一层平均厚为由紫红色花斑泥岩，是对比煤层的主要标志。、在煤层底板，距煤层平均法距处发育一层厚度的炭质泥岩（煤层位），也是对比煤层标志之一。预计巷道起坡位置向上掘进至、、、、、处，巷道顶板分别距煤层底板法距、、、、、。预计起坡位置向上掘进至巷道顶板将揭露煤层。 安徽理工大学硕士学位论文瓦斯地质资料根据井下取样测定南二采区煤层瓦斯含量在，瓦斯压力。巷道对应煤层底板标高为，位于水平以下，属于突出危险区。水文地质特征本掘进段主要充水因素为砂岩裂隙水，砂岩裂隙较发育，主要以静储量为主，随时间推移，逐渐衰减。预计巷道正常涌水量为人最大涌水量为。实施方案爆破孔布孔方式共布置个爆破孔，第组个。第组个。具体布孔方式见图和图。、、，為：棚“■：二下巷图爆破孔布置剖面图——，丨—￠，“十《穿。“■丨十—一下母汉谨层風大来腿孔’⋯产：—？‘‘，■，，，，丨，■，老光■■‘■‘，‘“丁图爆破孔布置平面图 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验钻孔和装药参数见表。表爆破试验孔参数表”倾角孔预计见”预计终“””试验试验径煤煤深度装药装药装药封孔层深度层深度孔深长度量长度合计备注：（装药时，从距离终孔位置开始装药，即保证从煤层开始装药。装药选用淮南舜泰化工有限公司生产的长度，直径的煤矿瓦斯抽采水胶药柱’每根重量钻孔施工顺序如图中，先在南二下盘区轨道大巷钻、、、共计四个爆破孔，并装药爆破，再在钻余下的爆破破外，其佘抽釆孔先施工。当所有抽釆孔施工结束后，施工爆破孔，要求起钻前，用压风对孔内进行扫孔。当个爆破孔施工结束后，装药实施爆破作业。 安徽理工大学硕士学位论文装药装药的原则：为防止冲孔，封孔长度必须满足大于或等于。每孔从煤层中开始装药，保证煤层顶板不装药。正向起爆，炮头放置与底部。探孔：为保证装药顺畅，爆破孔严禁用水打孔，当钻机起钻前，用压风将孔内残碴吹清后方可起钻。先用寸探管（上端连接一个直径空管进行探孔，记录好探孔深度，然后确定装药长度。每根药柱前端钻出小孔，根据爆破孔倾角大小，安装根防滑钢丝，釆用探孔管向孔内送药，每次送药根，最后将炮头和反衆管一起装入爆破孔内，防滑装置安装见图、，爆破孔返梁管安装见图。图防滑装置图—图返衆管图图返裝管局部图 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验‘：、會，‘子、：贫‘？厂‘，⋯—，图起爆装置炮头制作：取一根煤矿瓦斯抽采水胶药柱，打开内丝盖将个雷管分别插入药柱内，雷管必须单独引脚线互为备用。采用双雷管起爆头，为了防止接线头和雷管电引火元件进水引起不爆，需对每发雷管接线处和雷管端部进行严格的防水处理。封孔注架当封孔长度大于时，采用注装封孔。具体方法是：先将直径为的返楽管下至炸药起爆点处。封孔时，钻孔内首先插入注楽管和返装管，注装管钻孔终端距爆破专用药柱，而且返装管终端紧靠炮泥管。孔口段釆用聚氨脂封口，其长度不得小于，并等孔口段聚氨脂凝固后注入专用封孔剂，等返楽管返衆后停止注封孔剂。注装菜注完后，应立即用清水清洗。表衆料的组成与配比组成沙子质量比当返衆管返楽时立即停止注装，并将返装管扭结。待楽液凝固小时后，方可进行爆破。爆破孔封孔注楽见图。由于采用两台注装菜往爆破孔内注衆，注装时间缩短一倍，加快了封孔速度。图注浆封孔图 安徽理工大学硕士学位论文专用封孔器封孔当封孔长度小于时，采用黄泥封孔。具体方法是：釆用风动封孔器。先将封孔插入孔内，将黄泥装入封孔器中，给封孔器加压后，开启送黄泥阀门，即将黄泥送入孔中。具体的深孔爆破专用封孔器、爆泥输送管如图所示。晒丄“封孔器（爆泥输送管图封孔器材起爆为了确保爆破网路安全起爆，每个炮眼装同段发雷管，所有雷管采用串联爆破网路。爆破警戒按揭煤远距离放炮要求进行警戒，井下所有设备防护到位后方可起爆。起爆点位置起爆点设在机巷内，实行长距离起爆（距爆破地点不小于。效果考察分析个爆破孔分三次爆破，先在南二下盘区轨道大巷爆破、、、共个钻孔，其次爆破南二下盘区行人联巷内、、、、共个钻孔，最后爆破、、、、共个钻孔。第一次爆破、、、共个钻孔，平均每个钻孔安装炸药。爆破前抽米管瓦斯浓度，抽米混合量，抽釆纯瓦斯量 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验爆破后干管瓦斯浓度最大。稳定后，浓度下降至，干管混合量增加至，纯瓦斯量增加至，纯量增加，增加。表部分单孔浓度考察表（第一次爆破）时间中班夜班中班早班孔号炮前）（炮后预裂增透爆破单孔浓度变化曲线图厂—一广一丨—：：“二：二、：■▲：一：：、、、、，”、、时闻（图部分单孔浓度变化曲线图（第一次爆破） 安徽理工大学硕士学位论文第二次爆破、、、、个钻孔，平均每个钻孔安装炸药，爆破前干管瓦斯浓度，混合量，，抽采纯瓦斯量爆破后干管瓦斯浓度最大。稳定后，浓度下降至，干管混合量增加至，纯瓦斯量增加至人纯量增加增加。表部分单孔浓度考察表（第二次爆破）时间中班夜班早班中班夜班早班夜班孔号浓炮前）（炮后）预裂増透爆破单孔浓度变化曲线图■——兰：、、■若时间图部分单孔浓度变化曲线图（第二次爆破） 5底板装药爆破扰动下煤层增透现场试验第三次爆破、、、、个钻孔，平均每个钻孔安装炸药。爆破前干管瓦斯浓度，混合量人抽采纯瓦斯量。爆破后干管瓦斯浓度最大混合量最大。稳定后，浓度下降至，干管混合量下降至。纯瓦斯量增加至，纯瓦斯量增加人增加。表部分单孔浓度考察表（第三次爆破）时间中班夜班夜班夜班夜班孔号浓炮前）（炮后）减压孔减压孔减压孔预裂增透爆破单孔浓度变化曲线图—‘、：“—‘‘—：：“一⋯十卜：：、：：—丨⋯—丄《歸⋯，—紐益时间（图部分单孔浓度变化曲线图（第三次爆破） 安徽理工大学硕士学位论文结果分析如下表所示，三次爆破后，混合量由增加至，增加了倍，抽采瓦斯量由增加至增加了倍效果明显。表瓦斯参数第一次爆破第二次爆破第三次爆破爆破前爆破后爆破前爆破后爆破前爆破后浓度混合量纯瓦斯量目前干管瓦斯浓度，混合量，抽采纯瓦斯量。爆破前抽釆管瓦斯浓度，混合量，抽釆纯瓦斯量。混合量为爆破前倍，抽釆纯瓦斯量为爆破前倍。从以上数据可以得出以下结论：在具有煤与瓦斯突出危险性的区域揭煤时，需要先抽后釆，消除突出危险性。深孔预裂爆破技术可以增加瓦斯抽采的效果，大幅增加瓦斯抽釆的纯量，减少揭煤工序的循环时间。通过此次深孔预裂爆破可以得知深孔预裂爆破技术能够利用煤层弱面使得爆破作用更多的集中在煤层和煤底板界面中，使煤层充分扰动，不仅在装药段煤层和底板中裂隙发达尤其在煤底板界面层处产生的裂隙与岩层中的网状裂隙相互贯通，形成立体网状结构，增大抽采范围。通过多次爆破能够弥补煤层中的裂隙因高地应力使松软煤体快速闭合的缺点，使瓦斯抽采纯量增大到倍，增加了抽采时间长，且有效的处理了瓦斯突出危险性。 6结论与展望结论与展望主要结论本文以深孔控制预裂爆破机理为基础，结合数值模拟软件模拟了底板装药下爆破的扰动过程，探讨改变深孔控制预裂爆破的装药位置对瓦斯抽采过程及结果的影响，并进行了现场试验。得到了以下结论：通过有机玻璃代替煤层进行模型实验，表明在有机玻璃中装药产生的裂隙范围小，而在有机玻璃底板中装药，则产生的裂隙范围大。应用数值模拟软件对底板装药下爆破过程与煤层中装药爆破过程进行了数值模拟，通过分析应力场的变化规律研究，对比了不同装药位置的情况下爆破过程中裂隙形成与扩展情况与裂隙最终范围。通过对爆破前后煤层透气性以及钻孔瓦斯抽采量的对比分析，得到以下结论：爆破后煤层透气性增大到“平均值达到了“增透效果明显；瓦斯抽采量也提高了倍左右。根据爆破理论和煤层的地质情况，确定底板装药下深孔预裂爆破增透的合理爆破参数，为深孔爆破的设计提供依据。底板装药有利于深部煤、岩石的破碎，此种装药方式可以借助煤层弱面，在界面处多次反射拉伸，在煤体和底板岩石中同时产生裂隙，改善了抽釆效果，提高了煤层开采的安全性。展望深部矿井高应力作用下，底板装药模型适合应用于两淮煤矿，但是具体应用范围及其作用机理了解较浅，还有以下几个方面需进一步研宄：深部开采高应力下底板装药爆破所需的炸药的性质、装药量和装药结构于增透效果密不可分，仍要进一步的研究。由于研宄条件有限，数值模拟只能做参考，不能全面反映深部煤层深孔松动爆破时的情形；下一步可以在现场开展含瓦斯煤体爆破损伤的过程研究，为优化高应力下底板装药爆破的设计提供理论基础。 安徽理工大学硕士学位论文 参考文献参考文献张群，冯三利，杨锡禄试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略煤炭学报，袁亮低透气性煤层群煤与瓦斯共釆理论与实践煤炭工业出版社，张延庆唐书恒华北部分矿区煤储层压力研宄地球学报，，袁亮低透气高瓦斯煤层群安全幵采关键技术研究岩石力学与工程学报，袁亮煤与瓦斯共采，领跑煤炭科学开采煤炭学报，程远平，俞启香，周红星等煤矿瓦斯治理“先抽后采”的实践与作用，王魁军，张兴华中国煤矿瓦斯抽釆技术发展现状与前景中国瓦斯’，马永庆松软低透大釆深突出煤层瓦斯的区域治理技术煤炭科学技术，刘明举，孔留安，郝富昌，等水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用煤炭学报，，刘明举，任培良，刘彦伟等水力冲孔防突措施的破煤理论分析河南理工大学学报，，周军民突出煤层中水力压裂增透技术试验煤炭科学技术段康廉冯增朝赵阳升，等低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研宄煤炭学报，林柏泉，杨威，吴海进，等影响割缝钻孔卸压效果因素的数值分析中国矿业大学学报，，陈旅双动力协同钻割煤岩卸压增透割缝一体化技术煤矿安全，周世宁，林柏泉煤层瓦斯赋存与流动理论北京：煤炭工业出版社蒋承林，俞启香煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术徐州：中国矿业大学出版社，何学秋含瓦斯煤岩流变动力学徐州中国矿业大学出版社 安徽理工大学硕士学位论文潘峰基于穿层控制爆破技术的瓦斯抽放效果分析煤炭科学技术刘泽功，蔡峰，肖应祺等煤层深孔预裂爆破卸压增透效果数值模拟分析安徽理工大学学报自然科学版赵社会底板岩巷穿层抽采技术试验研宄中州煤炭，蔡峰刘泽功，张朝举，等高瓦斯低透气煤层深孔预裂爆破增透数值模拟煤炭学报，谢友友，张连军林柏泉等穿层深孔控制爆破有效影响半径的确定煤矿安全盛成仁穿层深孔爆破提高瓦斯抽放量煤矿安全王力谢友友张连军等穿层控制爆破的卸压、增透作用分析及数值模拟矿业安全与环保龚敏，王德胜，黄毅华突出煤层深孔控制爆破时控制孔的作用爆炸与冲击，岳中文，杨仁树，郭东明爆炸作用下空孔周围应力场变化的模型实验煤炭学报蔡峰刘泽功，林柏泉高瓦斯煤层深孔预裂爆破增透数值模拟试验辽宁工作程技术大学学报，，颜事龙，刘泽功，黄文尧，等煤矿瓦斯抽采爆破药柱中国专利：黄文尧颜事龙，刘泽功，等煤矿瓦斯抽釆水胶药柱在煤层深孔爆破中的研究与应用煤炭学报，，孙鑫林柏泉董涛，等穿层深孔水压控制爆破及其在防突工程中的应用采矿与安全工程学报，吕有厂穿层深孔控制爆破防治冲击型突出研究能源技术与管理，，翟华大倾角上行穿层钻孔聚能爆破增透卸压技术试验研究中国煤炭，李定远，郭志强，王之贵等崔庙煤矿穿层钻孔聚能爆破实验阶段效果分析煤炭技术， 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攻读硕士学位期间发表学位论文情况攻读硕士学位期间发表学术论文情况胡鑫，董金敏，闫大洋，等浅孔爆破技术在复杂环境下场地整平工程的应用现代矿业，，胡鑫，黄文尧，吴国群，等深孔预裂爆破技术在巷道揭煤中的应用研宄煤炭技