钻孔充水承压固液耦合爆破岩体增裂机理研究

发布时间：2020-10-19 20:19

　　 坚硬顶板控制一直是我国煤矿岩层控制中的重点和难点问题。伴随煤炭资源开采深度与强度的增加,煤炭高效开发伴生的坚硬顶板事故和灾害问题愈加突出。厚煤层开采覆岩扰动层位高,加剧了顶板断裂扰动范围和程度,使得采场强矿压显现独具特点。在此条件下,开展高效的顶板控制技术与机理研究,是坚硬顶板煤层安全高效开采的重要保证。基于此,提出了一种钻孔围岩充水承压爆破致裂技术,借助孔内水介质和浸润改性岩体的优越传载性能,实现了爆炸高能量的充分利用,并综合多种方法研究了多介质层内的波动传载规律和爆生气体膨胀过程,揭示了孔内充水承压爆破高效破岩机理,为矿井坚硬顶板合理爆破预裂参数的确定提供了科学依据。论文研究取得以下成果:(1)高应变率加载条件下,天然与浸润岩体应力-应变曲线相似,随着浸润时间与浸水压力增加,岩石强度伴随应变率提高呈指数增长。低应变率条件下,天然、浸润岩石的抗压/抗拉强度和应变率之间分别满足指数与对数关系,且随着浸润时间和浸水压力的增加,岩石强度有所降低。综合研究指出,浸润岩石高应变率加载下的脆性与强度均有所增加,但低应变率条件下其强度普遍趋于弱化。(2)在凝聚态炸药爆轰参数分析基础上,探讨了钻孔中水介质层的波动传载规律及破岩机制,建立了承压水层的波动传载、致裂力学模型,揭示了钻孔充水承压条件下的波动高效破岩机制,并在爆炸波破岩分析的基础上,进一步阐述了爆生气体联合孔内水介质的高效增裂机理。综合研究指出,钻孔内水介质的存在利于波动传载效能的充分发挥,通过适当提高孔内水介质的压力,改善浸水岩体动态力学特性,有利于岩体高效致裂效果的实现。(3)研究了大尺寸工程岩体承压爆破条件下的孔壁围岩应力、裂隙演化规律,重点探讨了钻孔承压水层厚度、孔内装药量、孔内水介质承压大小以及空孔存在条件等因素对浸水岩体爆破致裂的影响,得到了影响岩体爆破高效致裂效果的主控因素。同时,结合矿井厚煤层具体开采条件,确定了合理的坚硬顶板承压爆破参数,深孔充水承压爆破技术的现场实施取得了显著的坚硬顶板预裂和采场卸压效果。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD327.2
【部分图文】：

（d） （e）图 2-1 SHPB 试验系统Figure 2-1 SHPB test system高速动态应变仪数据处理光源 应变片入射杆岩样透射杆应变片缓冲杆阻尼子弹放大器滤波器图 2-2 SHPB 试验装置Figure 2-2 SHPB test device为避免冲击过程中试件端面产生凹型破坏，加工时要确保试件端面的平行直径 50.0mm×厚度 50.0mm）。加载前，试件放置于入射杆与透射杆间，三者接触。压杆通过底座支杆支撑，确保所有杆体同轴，同时在撞击杆与入射杆贴橡胶整形器，确保波形的完整性与较长的上升沿[98]，使得试件破坏前内部达到均匀化，提高测试精度与准确性。在撞击杆激发获得初始速度（由平行

20（g）天然试件，应变率 214.78s-1（h）浸润试件，应变率 226.55s-1图 2-16 天然与浸润试件不同应变率下冲击破坏特征Figure 2-16 Impact failure characteristics of natural and infiltration specimens at different strainrates天然-浸润试件破碎块度与加载应变率呈负相关关系，但浸润试件破碎块度略大于天然试件。在低应变率（75.63s-1和 77.47s-1）下，天然-浸润试件破坏均呈轴向劈裂特征，仍具有较强的弹性承载能力；随着应变率增加（117.95s-1与 119.66s-1），试件破碎块度呈现大-小不均等分布，浸润岩石试件破碎块度区间大于天然岩石试件；在应变率 156.62s-1与 160.35s-1下，破碎最大岩块较低应变率下明显降低，块度极值差值减小，浸润试件破坏块度均值大于天然试件；在应变率 214.78s-1和226.55s-1下试件破碎块度分布均匀，天然岩石试件趋于粉末形态，而浸润试件破碎块度大于天然岩体。天然-浸润试件呈现脆性破坏特征，随着加载应变率提高浸水岩石脆性呈增强趋势，利于动态破裂的实现。

（a）2.0h （b）8.0h （c）12.0h图 2-17 不同浸润时间下岩石冲击破碎块度分布Figure 2-17 Impact fragmentation distribution of rock under different infiltration time随着浸润时间增加，试件破碎块度呈现增大趋势，呈现脆性破坏特征，表现为浸润时间正相关特性；在较短浸润时间（2.0h）下，试件冲击破坏呈粉碎形态，在浸润 8.0h 时，试件破裂块度整体上微量增加，但局部存在少量大块度岩块；随着浸润时间增加（12.0h），试件承载能力进一步增强，破碎块度增加的同时分布趋于集中化与均匀化；试件脆性破坏趋势增强。不同浸水压力下试件冲击破碎块度结果如图 2-18。
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本文编号：2847682