煤层深孔预裂爆破裂隙扩展机理与应用研究
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摘要
煤层预裂爆破的对象是含瓦斯煤体,瓦斯与煤体介质的气固耦合关系必然对爆破裂隙的扩展产生影响,而煤体内的裂隙扩展直接决定着瓦斯的赋存和运移状态,从而影响煤层透气性和瓦斯抽放效果,因此对含瓦斯煤体裂隙扩展机理进行研究是煤层预裂爆破的理论基础。根据含瓦斯煤体的物理和力学特性,分析了瓦斯在煤体内的解吸、扩散和渗流过程,建立了瓦斯在煤层运移过程中的流固耦合数学模型。基于爆炸和断裂理论,分析了爆破近区冲击波对煤体的破坏作用,建立了煤层深孔预裂爆破中远区裂纹扩展的本构关系。通过理论分析,对影响煤体裂隙扩展的主要相关参数进行研究。采用超动态应变技术,对爆破孔与控制孔的间距布置进行了实验研究；将建立的煤体爆破裂隙扩展模型嵌入到DYNA程序中,对裂隙的扩展过程进行数值模拟,其结果验证了理论模型的正确性和合理性。将煤层预裂爆破裂隙扩展的研究成果应用到现场瓦斯抽放的工程实践中,结合矿井实际情况优化爆破设计方案。论文的研究成果对于低渗透性煤层的瓦斯抽采研究具有重要意义。
As the object of pre-splitting blasting in coal seam, gas-fillled coal takes on coupling characteristics of gas and solid medium that must be related to exploding cranny extension. Gas existing and moving models rested with crannies in coal seams that are master of coal seam penetrability and gas drainage effect, so the study on cracking mechanism in gas-fillled coal is the theory basis of pre-splitting blasting. Based on the physics and mechanical characteristics of the absorbed gas-coal, the process of desorption, diffuseness and seepage of methane was analyzed, and a math model of flow-solid coupling on gas movement in coal bed was set up. Round blasting hole, the coal breakage action by shock wave was studied; away from shotpoint, the constitutive relation on crack propagation was educed on the basis of detonation and fracture theory respectively. By means of theory analysis, correlative primary explosive parameters effecting blasting efficiency were studied. Adopting ultra-dynamic strain detection technology, a series of experiments on space between blasting and control holes were carried out. Embedding the model of coal cranny extension into DYNA program, correctness and rationality on theoretics deduction were contrasted by computer numerical simulation. The research productions were applied to gas drainage in field, which makes blasting design project optimize evidently in the light of mine practice condition. The research results have important significance for the study of gas drainage of coal seam with low penetrability.
As the object of pre-splitting blasting in coal seam, gas-fillled coal takes on coupling characteristics of gas and solid medium that must be related to exploding cranny extension. Gas existing and moving models rested with crannies in coal seams that are master of coal seam penetrability and gas drainage effect, so the study on cracking mechanism in gas-fillled coal is the theory basis of pre-splitting blasting. Based on the physics and mechanical characteristics of the absorbed gas-coal, the process of desorption, diffuseness and seepage of methane was analyzed, and a math model of flow-solid coupling on gas movement in coal bed was set up. Round blasting hole, the coal breakage action by shock wave was studied; away from shotpoint, the constitutive relation on crack propagation was educed on the basis of detonation and fracture theory respectively. By means of theory analysis, correlative primary explosive parameters effecting blasting efficiency were studied. Adopting ultra-dynamic strain detection technology, a series of experiments on space between blasting and control holes were carried out. Embedding the model of coal cranny extension into DYNA program, correctness and rationality on theoretics deduction were contrasted by computer numerical simulation. The research productions were applied to gas drainage in field, which makes blasting design project optimize evidently in the light of mine practice condition. The research results have important significance for the study of gas drainage of coal seam with low penetrability.
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