高地应力岩体超深孔柱状装药爆破三维模型试验研究

发布时间：2018-03-16 13:55

本文选题：高地应力　切入点：爆炸冲击波　出处：《安徽理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：2016年12月国家发展改革委员会和国家能源局印发的《煤炭工业发展"十三五"规划》指出"煤炭占我国化石能源资源的90%以上,是稳定、经济、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消费中的比重将逐步降低,但在相当长时期内,主体能源地位不会变化。""十三五"期间,印度及东南亚等地区经济发展较快,煤炭消费增速较快,是我国煤炭企业"走出去"的新机遇。为了实现"中国制造2025",使我国工业向智能化、自动化的方向迈进,首先必须要进行煤炭产业升级改造,这不但是技术发展的趋势,同时也是对安全生产提出的新要求。要想实现真正意义上的智能化开采,不仅要着眼于煤矿开采中信息化、自动化、机械化等技术方面,还需要在煤炭开采过程中重大安全隐患的预防及控制等理论方面开展深入研究。论文依托国家自然科学基金面上项目"综采面超长深孔柱状装药爆破破裂机理及强制放顶技术研究"(No.51374012),以深部坚硬顶板为研究对象,提出超深孔柱状装药松动控制爆破技术,以爆轰动力学、岩石力学、断裂力学、应力波理论等为指导,通过理论分析、三维物理相似模型试验、数值模拟、现场试验的方法,对高地应力状态下超深孔柱状装药爆破破裂机理进行全面研究,揭示深部岩体内超深孔柱状装药爆炸应力场分布与初始地应力、炮孔深度、炮孔直径、不耦合系数等参数的关系,建立考虑地应力作用下岩体爆生裂纹扩展判据,研究无限岩体内超深孔柱状装药爆破破岩机理。在高地应力条件下进行超深孔柱状装药爆破时,药柱爆炸会产生高强冲击波和高温高压爆生气体,在冲击波作用下,炮孔周围介质发生侧向位移形成粉碎区,继而衰减为应力波,在介质内传播,并在炮孔径向产生裂隙,在爆生气体的准静态压力和地应力共同作用下,径向裂隙进一步扩展,随着裂隙的不断扩展,爆生气体膨胀压力迅速降低,当降到一定程度时,积蓄在介质中的弹性能得以释放,形成卸载波,并向炮孔中心方向传播,在介质内部产生环向裂隙,径向裂隙和环向裂隙互相交叉而形成裂隙区。在静态单轴抗压试验中,砂灰比越小,砂颗粒间的胶结作用越强,表现为试件静态单轴抗压强度随砂灰比的增加近似呈幂函数降低,当砂灰比一定时,静态单轴抗压强度随养护时间的延长而逐渐增加。随着养护时间的增加,胶结料的水化反应越充分,试件动态强度增加,随着胶结料水化反应的进行,水泥和石膏胶结颗粒逐渐减少,到达21 d后,水化反应基本趋于停止,具体表现为,试件动态强度在7d-14d增加速度快,14d-21d增加缓慢,最后基本保持不变,考虑到试验周期方面的问题,可以确定试件的最佳养护时间为14 d。然而,在被动围压条件下,试件侧向变形被铝套筒约束,试件应力-应变曲线可分为线弹性阶段、粘结破坏阶段、压实阶段和卸载阶段四个阶段。在高初始应力状态下,实施超深孔柱状装药爆破过程中,炮孔周围介质较难破碎,介质表现出较强的塑性性质,爆破扩腔效果明显。采用不耦合装药形式时,炮孔孔壁与药柱之间存在空气间隙,不耦合系数越大,炮孔内空气间隙越大,该间隙能有效降低爆炸冲击波的峰值压力,改变爆炸应力波的加载速率,降低爆炸扩腔作用及裂纹条数,同时可有效增加爆炸应力波在岩体内的传播时间及爆生气体的准静态膨胀作用时间,扩大爆炸裂隙区范围,提高爆炸能量利用率。另外,初始应力对于爆生裂纹扩展具有一定的抑制作用。对比静水压力状态与非静水压力状态下爆破效果可知,在静水压力状态下,炮孔周围质点在炮孔径向、切向、轴向的应变波峰值基本相同,故爆炸后炮腔呈圆形,爆生裂纹在炮孔周围分布较均匀,裂纹长度较短;在非静水压力状态下,爆炸后炮腔为椭圆形,最大主应力对于爆生裂纹扩展具有导向作用,且随着侧压系数的增大,质点应变波峰值也逐渐增大,最大水平主应力对爆生裂纹的导向作用越明显。在工程实践中,爆破循环步距设计为30 m,爆破后,工作面液压支架的工作阻力基本上分布正常范围之内,支架前后柱阻力比较均匀、阻力差小于1 MPa,且工作面煤壁较为完整,基本上无片帮和冒顶的现象,对工作面顶板做松动爆破处理后周期来压压力变小,工作面局部位置基本上无明显来压现象。
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【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD235

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