本文選題：高地應力　切入點：爆炸沖擊波　出處：《安徽理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：2016年12月國家發(fā)展改革委員會和國家能源局印發(fā)的《煤炭工業(yè)發(fā)展"十三五"規(guī)劃》指出"煤炭占我國化石能源資源的90%以上,是穩(wěn)定、經(jīng)濟、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消費中的比重將逐步降低,但在相當長時期內(nèi),主體能源地位不會變化。""十三五"期間,印度及東南亞等地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快,煤炭消費增速較快,是我國煤炭企業(yè)"走出去"的新機遇。為了實現(xiàn)"中國制造2025",使我國工業(yè)向智能化、自動化的方向邁進,首先必須要進行煤炭產(chǎn)業(yè)升級改造,這不但是技術(shù)發(fā)展的趨勢,同時也是對安全生產(chǎn)提出的新要求。要想實現(xiàn)真正意義上的智能化開采,不僅要著眼于煤礦開采中信息化、自動化、機械化等技術(shù)方面,還需要在煤炭開采過程中重大安全隱患的預防及控制等理論方面開展深入研究。論文依托國家自然科學基金面上項目"綜采面超長深孔柱狀裝藥爆破破裂機理及強制放頂技術(shù)研究"(No.51374012),以深部堅硬頂板為研究對象,提出超深孔柱狀裝藥松動控制爆破技術(shù),以爆轟動力學、巖石力學、斷裂力學、應力波理論等為指導,通過理論分析、三維物理相似模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗的方法,對高地應力狀態(tài)下超深孔柱狀裝藥爆破破裂機理進行全面研究,揭示深部巖體內(nèi)超深孔柱狀裝藥爆炸應力場分布與初始地應力、炮孔深度、炮孔直徑、不耦合系數(shù)等參數(shù)的關(guān)系,建立考慮地應力作用下巖體爆生裂紋擴展判據(jù),研究無限巖體內(nèi)超深孔柱狀裝藥爆破破巖機理。在高地應力條件下進行超深孔柱狀裝藥爆破時,藥柱爆炸會產(chǎn)生高強沖擊波和高溫高壓爆生氣體,在沖擊波作用下,炮孔周圍介質(zhì)發(fā)生側(cè)向位移形成粉碎區(qū),繼而衰減為應力波,在介質(zhì)內(nèi)傳播,并在炮孔徑向產(chǎn)生裂隙,在爆生氣體的準靜態(tài)壓力和地應力共同作用下,徑向裂隙進一步擴展,隨著裂隙的不斷擴展,爆生氣體膨脹壓力迅速降低,當降到一定程度時,積蓄在介質(zhì)中的彈性能得以釋放,形成卸載波,并向炮孔中心方向傳播,在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向裂隙,徑向裂隙和環(huán)向裂隙互相交叉而形成裂隙區(qū)。在靜態(tài)單軸抗壓試驗中,砂灰比越小,砂顆粒間的膠結(jié)作用越強,表現(xiàn)為試件靜態(tài)單軸抗壓強度隨砂灰比的增加近似呈冪函數(shù)降低,當砂灰比一定時,靜態(tài)單軸抗壓強度隨養(yǎng)護時間的延長而逐漸增加。隨著養(yǎng)護時間的增加,膠結(jié)料的水化反應越充分,試件動態(tài)強度增加,隨著膠結(jié)料水化反應的進行,水泥和石膏膠結(jié)顆粒逐漸減少,到達21 d后,水化反應基本趨于停止,具體表現(xiàn)為,試件動態(tài)強度在7d-14d增加速度快,14d-21d增加緩慢,最后基本保持不變,考慮到試驗周期方面的問題,可以確定試件的最佳養(yǎng)護時間為14 d。然而,在被動圍壓條件下,試件側(cè)向變形被鋁套筒約束,試件應力-應變曲線可分為線彈性階段、粘結(jié)破壞階段、壓實階段和卸載階段四個階段。在高初始應力狀態(tài)下,實施超深孔柱狀裝藥爆破過程中,炮孔周圍介質(zhì)較難破碎,介質(zhì)表現(xiàn)出較強的塑性性質(zhì),爆破擴腔效果明顯。采用不耦合裝藥形式時,炮孔孔壁與藥柱之間存在空氣間隙,不耦合系數(shù)越大,炮孔內(nèi)空氣間隙越大,該間隙能有效降低爆炸沖擊波的峰值壓力,改變爆炸應力波的加載速率,降低爆炸擴腔作用及裂紋條數(shù),同時可有效增加爆炸應力波在巖體內(nèi)的傳播時間及爆生氣體的準靜態(tài)膨脹作用時間,擴大爆炸裂隙區(qū)范圍,提高爆炸能量利用率。另外,初始應力對于爆生裂紋擴展具有一定的抑制作用。對比靜水壓力狀態(tài)與非靜水壓力狀態(tài)下爆破效果可知,在靜水壓力狀態(tài)下,炮孔周圍質(zhì)點在炮孔徑向、切向、軸向的應變波峰值基本相同,故爆炸后炮腔呈圓形,爆生裂紋在炮孔周圍分布較均勻,裂紋長度較短;在非靜水壓力狀態(tài)下,爆炸后炮腔為橢圓形,最大主應力對于爆生裂紋擴展具有導向作用,且隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,質(zhì)點應變波峰值也逐漸增大,最大水平主應力對爆生裂紋的導向作用越明顯。在工程實踐中,爆破循環(huán)步距設計為30 m,爆破后,工作面液壓支架的工作阻力基本上分布正常范圍之內(nèi),支架前后柱阻力比較均勻、阻力差小于1 MPa,且工作面煤壁較為完整,基本上無片幫和冒頂?shù)默F(xiàn)象,對工作面頂板做松動爆破處理后周期來壓壓力變小,工作面局部位置基本上無明顯來壓現(xiàn)象。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD235

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本文編號：1620216