爆破作用下煤层裂隙发展动力学分析
坚硬厚煤层分区域扰动破坏机理及弱化方法
坚硬厚煤层分区域扰动破坏机理及弱化方法厚煤层综放开采是厚煤层安全高效开采的主要方法之一。
综放开采时顶煤的充分破碎是提高顶煤回收率的关键。
已有研究表明,支承压力区煤体裂隙的发育程度对顶煤的破碎块度影响较大,且不同强度煤体在采动应力作用下呈现出不同的演化模式。
支承压力区煤体的裂隙发育与煤体所受轴向、侧向应力大小及作用路径也有较大关系。
为此,论文基于忻州窑矿11&12#坚硬煤层,运用理论、数值模拟和试验等方法,研究了坚硬顶煤经历“原岩应力区预裂弱化-支承压力区扰动-支架控顶区升降扰动”全过程中的破坏机理,主要从以下几方面开展了工作:（1）通过现场调研,在实验室进行煤样单轴压缩试验,并总结了前人对忻州窑矿岩石力学参数和地应力的研究结果,确定论文研究采用的煤体力学参数为单轴抗压强度29.29 MPa、弹性模量26.9 GPa、泊松比0.23,确定8935工作面的地应力在10 MPa左右。
（2）结合以往坚硬煤层弱化的实践经验,预裂爆破的方法对坚硬煤体的弱化具有较好的效果。
但由于缺乏相关的理论支撑,爆破方案主要通过观测顶煤放出效果适当改进,没有形成科学的优化方法。
论文基于有限元动力分析方法引入爆破产生的压力p与煤体孔隙率α关系为基础的p-α状态方程描述爆破应力与材料体应变的关系,采用累计塑性应变Δε与最终失效应变ε<sub>p</sub>的比值表示损伤变量,描述煤体裂隙扩展,考虑了材料在动态压、拉作用下的应变率效应,对煤体在动载下的力学响应分段表示为弹性阶段、应变硬化阶段和损伤软化阶段,运用位移不连续方法,构建了应力波反射与透射效应的节理面模型,基于此,建立了煤体爆破损伤模型,并设置了多孔微差爆破模型、不同孔间距爆破模型、不同地应力场爆破模型和含节理面爆破模型,并提出了爆破破碎块度评价方法,研究结果表明:（1）双孔同时爆破产生的应力波叠加场,能将爆破能量充分用于双孔连线方向的煤体破碎,适用于切缝爆破、光面爆破等工程;双孔延时爆破能使爆破能量分散于双孔间更大范围,促使孔间岩体产生较均匀分布的裂隙,有利于孔间岩体均匀破碎,适用于煤岩体爆破破碎工程。
煤中裂隙形成机制-概述说明以及解释
煤中裂隙形成机制-概述说明以及解释1.引言1.1 概述煤是一种重要的能源资源，其广泛应用于发电、冶金、化工等领域。
随着能源需求的增加，煤炭开采规模不断扩大，煤层中的裂隙问题日益引人关注。
煤中的裂隙不仅会导致煤层的不稳定性，还会对煤矿开采、瓦斯抽采等工作带来一系列技术难题。
煤中裂隙的形成是一个复杂的过程，涉及多种因素的相互作用。
首先，煤的成因与沉积环境决定了其裂隙形成的基本条件。
例如，在沉积过程中，受到压实作用的煤层会产生不同程度的变形，形成各种类型的裂隙。
此外，煤层中的应力分布也是裂隙形成的重要原因之一。
当煤层受到外力的作用时，煤体内部会产生应力的重新分布，从而导致裂隙的形成和扩展。
此外，煤中的裂隙形成还与煤的物理和力学性质密切相关。
煤的组成复杂，含有不同种类的有机质和矿物质，它们的分布和结构对裂隙的形成和扩展有重要影响。
另外，煤的孔隙结构和渗透性也会影响裂隙的形成。
煤体中的孔隙可以提供裂隙扩展的通道，而渗透性则决定了裂隙中液体和气体的运移能力。
在煤层开采过程中，裂隙的形成会对煤矿安全和生产造成严重影响。
裂隙可以导致煤层变形和破坏，增加煤层顶板和底板的变形和位移，进而引发地质灾害，如塌陷、滑坡和断层等。
此外，裂隙的形成还会导致煤层的渗透性增加，进而增大瓦斯和水的涌出量，增加瓦斯爆炸和煤炭自燃的风险。
综上所述，煤中裂隙的形成是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。
深入研究煤中裂隙形成的机制，对于煤层开采和矿井安全具有重要意义。
只有了解和掌握裂隙形成的机理，才能制定相应的采矿和防控措施，有效降低煤层开采中的风险，实现煤炭资源的高效、安全利用。
1.2 文章结构本文将围绕煤中裂隙的形成机制展开讨论。
首先，我们将在引言部分对煤的概述进行简要介绍，并说明本文的目的。
接下来，在正文部分，将会详细探讨煤中裂隙形成的两个关键要点。
最后，在结论部分，我们将总结并强调本文所讨论的要点。
引言部分将通过概述煤的性质和特点，为读者提供一个对煤以及其中裂隙形成机制有一定了解的背景知识。
双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理
双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理郭德勇1)✉，赵杰超1)，朱同功2)，张 超1)1) 中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083 2) 平顶山天安煤业股份有限公司十矿，平顶山 467000✉通信作者，E-mail ：***************.cn摘 要 针对双孔聚能爆破孔间煤层裂隙扩展贯通问题，基于对双孔爆破应力波叠加效应的分析，建立双孔聚能爆破数值分析模型，研究双孔同时起爆时应力波的传播特征、煤体的应力状态、煤体裂隙扩展贯通规律以及应力波叠加效应对裂隙扩展的影响. 结果表明，应力波叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区，迫使部分径向裂隙转向，主导爆生裂隙空白带的形成；两爆破孔间的定向裂隙相互贯通后，爆生气体相互作用促进贯通区裂隙的扩展并贯穿空白带. 同时，结合煤层深孔聚能爆破现场试验发现，在两爆破孔外侧，应力波叠加效应促进裂隙的扩展，该作用随着远离爆破孔呈先增加后减小之势；在两爆破孔之间，应力波叠加效应抑制部分区域裂隙的扩展，致使两爆破孔之间不同位置处煤层增透效果有起伏变化.关键词 聚能爆破；双孔爆破；裂隙扩展；煤层增透；瓦斯抽采分类号 TD712Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seamGUO De-yong 1)✉，ZHAO Jie-chao 1)，ZHU Tong-gong 2)，ZHANG Chao 1)1) School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2) Pingdingshan Tian’an Coal Co. Ltd., Pingdingshan 467000, China✉Corresponding author, E-mail: ***************.cnABSTRACT This paper focuses on the radius of coal failure zones under cumulative blasting with shaped charge. Based on theanalysis of the mutual superposition effect of the explosion stress waves during the simultaneous detonation of two blastholes, a numerical analysis model of the double-hole cumulative blasting with linear shaped charge was established. Additionally, the propagation characteristics of the stress wave during the simultaneous detonation of two blastholes, stress state of the coal body,mechanism of coal crack propagation and coalescence, and influence of the stress wave superposition effect on crack propagation were evaluated. Results show that the stress wave superposition effect induces the formation of a pressure equalization zone in the partial region of the middle section of the two blastholes and its adjacent regions. This occurrence forces the radial cracks of the two blastholes to turn, and they cannot connect with each other, leading to the formation of a gap blank zone between the two blastholes. After the directional cracks generated under cumulative blasting load coalesce, the collision of the explosive gases produced from the two blastholes further promotes the expansion of the cracks in the directional crack coalescence zone and eventually penetrates the gap blank zone. Field test results of deep-hole cumulative blasting in coal seams show that the explosion stress waves from the blastholes in the opposite side promotes the propagation of the blasting-induced crack on the left or right side of the two blastholes. This propagation first increases and then decreases as it moves away from the blasthole. Between the two blastholes, the stress wave superposition effect from收稿日期: 2020−05−19基金项目: 国家自然科学基金联合基金资助项目（U1704242）；国家自然科学基金资助项目（41430640）工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1613−1623，2020 年 12 月Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1613−1623, December 2020https:///10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001; the two blastholes inhibits the propagation of the cracks in some areas, resulting in a W-like fluctuation in the degree of improvement of the gas drainage effect at different positions in the area between the two blastholes.KEY WORDS cumulative blasting；double-hole blasting；crack propagation；improved seam permeability；coal seam gas drainage爆破技术具有工艺简便、工程地质适应性强的特点，在隧道掘进、路堑开挖、矿山开采和水利水电等工程领域应用广泛，并取得了良好的社会和经济效益[1−5]. 随着爆破工程规模的增大，爆破技术得到更广泛的应用，在工程实践中通常采用双孔或多孔连续起爆方式来提高施工速度[6]，如此以来，爆炸应力波叠加损伤断裂效应对爆破致裂效果的影响逐渐增大[7−12]. 近年来，该问题成为相关专家学者关注的焦点. 闫长斌[13]通过开展岩体损伤声波测试试验，研究了声波在爆破损伤岩体中的衰减特性，借助岩体声学特性来探索岩体爆破累积损伤效应. 费鸿禄和范俊华[14]采用声波测试技术研究了边坡岩体在爆破载荷下的累计损伤效应. 朱振海等[15]采用动光弹实验研究了双孔同时起爆时应力波的传播特征及其对裂隙扩展的影响. 杨仁树等[16]通过开展动态焦散线实验研究了不同切槽模式下双孔同时起爆时裂隙的扩展贯通及裂隙尖端应力强度因子变化特征. 李清等[17]采用动态焦散线系统分别研究了不同装药量、间距的双孔切缝药包爆破时爆生裂隙的扩展规律. 魏晨慧等[18]研究了岩层节理角度和地应力对双孔爆破裂隙扩展规律的影响. 已有研究多是通过波速测试获取爆破后混凝土块/岩体内部损伤情况，然而，由于混凝土块/岩体内部结构的复杂性，该方法不能定量研究爆生裂隙的发育特征；可以采用相似试验方法，忽略有机玻璃与岩石内部结构的差异性，通过观察有机玻璃在切缝药包爆破载荷下的破坏情况来间接反映爆破载荷下岩石材料的响应特征，虽能获得较为直观的爆生裂隙分布特征，但却难以深入探讨爆生裂隙的扩展机理，对双孔聚能爆破载荷下爆破裂隙扩展贯通机制的认识仍十分有限. 相比于岩石，煤体结构更为复杂，而相关研究较少.本文在分析双孔爆破爆炸应力波叠加效应的基础上，基于煤矿现场试验参数，采用ANSYS/LS-DYNA构建双孔聚能爆破数值分析模型，模拟研究了双孔聚能爆破过程中爆炸应力波的传播特征、煤体单元的力学性质和煤层裂隙的扩展机制.同时，结合现场试验研究了双孔聚能爆破载荷下煤层裂隙扩展及分布特征.1 双孔爆破应力波叠加效应分析聚能装药起爆后，爆炸冲击波在破碎煤体过程中快速衰减，至压碎区（粉碎区）边缘，冲击波衰减为压缩应力波，其强度已难以引起煤体的压缩破坏[19]. 然而，煤体在应力波作用下将同时发生径向压缩变形和伴生的切向拉伸变形，由于煤体具有抗拉强度远小于其抗压强度的特点，当拉伸应力强度大于煤体的动态抗拉强度时煤体将破裂而产生径向裂隙[20−21]. 双孔同时起爆时，煤体内的动态应力场将因应力波的相互干涉而改变，致使局部应力集中或降低，从而影响煤体裂隙的扩展效果.若将聚能爆破激起的应力波在径向（切向）上产生的压应力（拉应力）假定为σr（σθ），则σθ=(μ/(1−μ))σr，其中μ为煤体的泊松比. 当相邻两爆破孔同时起爆时，在两爆破孔中间截面MN上的任意点m或n，其应力状态如图1所示.如图1（a）所示，当两应力波正交时（α=±45°），两波在正交点m处相互作用所产生的主应力为：由于μ≤0.5，则式（1）非负. 正交点m处将不再出现拉应力，两个主应力的值相等，并在该点邻域内形成恒均压区.当两应力波斜交时（−90°<α<90°且α≠0°，α≠±45°），取两束应力波夹角的平分线分别为X和Y轴，则二者方向与斜交点n处产生的主应力方向相同，且X轴平行于两爆破孔连接线，Y轴垂直于两爆破孔连接线，如图1（b）所示. 1#爆破孔在n点产生的径向应力和切向应力分别为σr n1和σθn1，经坐标变换后沿X、Y轴方向的应力分量分别为：双孔同时起爆时，两爆破孔的应力波在n点产生的应力沿X、Y轴方向的分量大小和方向均相同，而剪应力分量大小相同、方向相反. 因此，1#爆破孔和2#爆破孔激起的应力波在n点叠加后沿X、Y轴方向的主应力分别为：· 1614 ·工程科学学报，第 42 卷，第 12 期其中，基于煤体的物理力学条件，若取μ=0.201，则系数k 1、k 2随夹角变化而变化的特征如图2所示.由图2可知，当−63.41°<α<63.41°，且α≠0°、α≠±45°，X 轴方向的主应力为压应力；当−90°<α<−63.41°或63.41°<α<90°时，X 轴方向的主应力为拉应力. 当−26.67°<α<26.67°，且α≠0°，Y 轴方向的主应力为拉应力；当−90°<α<−26.67°或26.67°<α<90°时，Y 轴方向的主应力为压应力. 因此，在−63.41°<α<−26.67°或26.67°<α<63.41°时，由于X 、Y 轴方向的主应力均为压应力，该区域及其邻域内将形成均压区.综上可知，相邻两个爆破孔同时起爆时，爆炸应力波相互叠加，将导致两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区，抑制爆生裂隙的扩展.2 煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆数值分析2.1 模型构建基于煤层深孔聚能爆破工程试验参数，采用ANSYS/LS-DYNA 构建双孔聚能爆破数值分析模型，模型由聚能药卷、空气和煤体3部分组成，采用流‒固耦合算法. 模型整体尺寸为1600 cm×1600 cm×0.5 cm ，如图3所示. 为满足深孔聚能爆破的条件，分别在所构建模型的前表面和后表面上设置Z 轴方向约束.炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型，其爆轰压力P可用JWL 状态方程表示[22]式中：V 为相对体积；E 0为初始内能；A 、B 、γ1、γ2、ω为与炸药类型有关的常数. 煤矿许用乳化炸药的参数及其JWL 状态方程参数分别为：ρ0=1140 kg·m −3，D 0=3200 m·s −1，A =146.1 GPa ，B =10.26 GPa ，γ1=7.177，γ2=2.401，ω=0.069，E 0=4.19 GPa.由于冲击载荷下煤体的应变率效应显著，因此煤体模型选用MAT_PLASTIC_KINEMATIC （随动塑性硬化材料模型）. 聚能爆破载荷下，煤体的变形破坏以压剪破坏和拉伸破坏为主，当所受压应力P c （或拉应力P s ）满足P c ≥P max （或P s ≤P min ）时，煤体将破裂失效[22]. 其中，P max 和P min 分别为图 1 两束应力波的正交（a ）、斜交（b ）干涉Fig.1 Orthogonal (a) and oblique (b) interferences of the pressure waves图 2 斜交干涉时系数k 1和k 2的变化曲线Fig.2 Oblique interference of the stress waves图 3 煤层深孔聚能爆破数值分析模型Fig.3 Numerical model of cumulative blasting with linear shaped charge in a coal seam郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理· 1615 ·煤体破坏的最大抗压强度和最小抗拉强度（拉应力取负值）.2.2 爆炸应力波的传播特征相邻爆破孔同时起爆时爆炸应力波的传播与干涉过程如图4所示，聚能爆破后爆炸应力波自起爆点沿径向向外传播. t=1555 μs时，两爆破孔产生的爆炸应力波相遇碰撞形成压应力集中区（见图4（a））. 随后，爆炸应力波继续沿径向向外传播，由图4（b）可知，爆炸应力波叠加之后应力强度明显高于其它部分. 分析认为，爆炸应力波传播至应力波叠加区时，原爆炸应力波的残余应力与新到达的爆炸应力波相互作用而导致应力强度增加.对比图4（b）和图4（c）可知，随着应力波传播距离的增加，新到达应力波的强度不断衰减，原爆炸应力波的残余应力也不断衰减，二者叠加后应力波的应力强度减弱. t=3250 μs时，爆炸应力波到达另一个爆破孔（见图4（d）），此后，爆炸应力波继续向外传播直至消失.(a)Pressure/MPa34.5730.8527.1423.4219.7115.9912.288.574.851.14−2.58(b)Pressure/MPa33.3329.7426.1522.5618.9715.3811.798.204.611.02-2.57(c)Pressure/MPa35.5031.6927.8824.0820.2716.4612.668.855.041.24-2.57(d)Pressure/MPa37.3733.3829.3825.3921.3917.413.49.415.421.42-2.57图 4 煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆时应力波的传播与干涉过程. （a）t=1555 μs；（b）t=1710 μs；（c）t=1930 μs；（d）t=3250 μsFig.4 Stress wave propagation and interference process during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=1555 μs; (b) t=1710 μs; (c) t= 1930 μs; (d) t=3250 μs2.3 距两爆破孔相同距离连线上煤体单元应力分析在相邻两爆破孔中间截面MN上选取如图5所示的3个测点单元，根据聚能爆破过程中各个测点单元应力变化特征绘制了各个测点单元的应力变化曲线，如图6所示.图 5 煤层深孔聚能爆破模型中各个测点单元位置分布Fig.5 Position distribution of each measuring point in the cumulative blasting model由图6可以看出，相邻两个爆破孔的应力波（压力波）相互叠加过程中，No.2测点单元仅表现为压缩应力状态，而No.1和No.3测点单元均表现为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态，表明在应力波叠加效应影响下，No.2测点单元邻域内将形成均压区. 随着应力波的传播，应力波的叠加效应逐渐减弱，当超过3000 μs，No.2测点单元呈现为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态.2.4 聚能爆破煤体裂隙扩展特征相邻两聚能爆破孔同时起爆后煤层裂隙扩展03691212No.2No.1Pa图 6 煤层深孔聚能爆破双孔齐爆时各个测点单元应力（爆炸压力）变化曲线Fig.6 Pressure curve of each measuring point during the simultaneous detonation of two blastholes· 1616 ·工程科学学报，第 42 卷，第 12 期过程如图7所示. t=2500 μs时，左右两个爆破孔的爆生裂隙扩展特征相似：两爆破孔周围爆生裂隙的发育扩展程度基本一致，在两爆破孔连线方向均出现明显的径向裂隙（将两爆破孔连线方向上的径向裂隙称为“定向裂隙”）. t=2925 μs时，两爆破孔的定向裂隙相互贯通，并在定向裂隙贯通区出现垂直方向的裂隙，而在定向裂隙贯通区的上部和下部区域均未出现明显的宏观裂隙. 对比图7（a）和（c）可知，在两爆破孔的左右两侧区域，任一爆破孔的径向裂隙发育扩展均比较明显；而在两爆破孔之间区域，除定向裂隙实现相互扩展贯通之外，其他径向裂隙的发育扩展程度不大，但是出现了数条非连续裂隙. 对比图7（c）和（d）可知，在两爆破孔的左侧和右侧区域，任一爆破孔径向裂隙的扩展方向均出现了一定程度的转向：左爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔左侧偏转，右爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔右侧偏转，从而使两爆破孔左侧和右侧区域内的裂隙密度增加. 在两爆破孔之间区域，左爆破孔径向裂隙扩展方向向左侧扩展，右爆破孔径向裂隙的扩展方向向右扩展，致使两爆破孔的径向裂隙难以贯通；但是，该区域内非连续裂隙的数目明显增多，且由定向裂隙贯通区向外扩展的垂直方向裂隙得到了明显的扩展.(a)(b)(c)(d)图 7 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展贯通过程. （a）t=2500 μs；（b）t=2925 μs；（c）t=3085 μs；（d）t=6000 μsFig.7 Expansion and penetration process of coal seam fractures during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t = 2500 μs; (b) t = 2925 μs;(c) t = 3085 μs; (d) t = 6000 μs综上分析，相邻两个爆破孔同时起爆时，应力波的叠加效应将改变两爆破孔之间区域内径向裂隙的扩展方向（定向裂隙除外），致使这些径向裂隙难以朝着初始扩展方向继续扩展贯通，从而形成爆生裂隙空白带. 聚能爆破能够定向积聚爆轰能量从而形成定向裂隙[23−25]，两爆破孔的定向裂隙相互贯通后在贯通区上部和下部形成垂直方向裂隙，垂直方向裂隙的不断发育与扩展分叉，最终贯穿爆生裂隙空白带，消除了相邻双孔齐爆爆生裂隙空白带对煤层增透效果的影响.相关研究表明[26]，由于爆炸应力波的叠加作用，两爆破孔连线区域煤体破碎为较小颗粒，而在其他区域裂隙数量较少、长度较短，如图8所示.对比图8与图7（d）可知，聚能爆破定向集聚爆轰能量促使爆生裂隙定向扩展，有效解决了双孔同时起爆时爆炸能量在两爆破孔之间过度集中的问题，避免了部分区域煤体的过度破碎，促进了图 8 煤层深孔普通爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展特征[26] Fig.8 Propagation characteristics of coal seam fractures under double deep-hole blasting[26]郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理· 1617 ·煤体裂隙的发育与扩展.2.5 聚能爆破爆炸应力波对裂隙扩展的影响为进一步研究相邻两个聚能爆破孔同时起爆时应力波叠加效应对裂隙扩展的影响，模拟了应力波对裂隙扩展的影响，如图9所示. 对比图9（a）和（b）可知，左右两个爆破孔的定向裂隙C-A扩展过程中裂隙尖端的应力场与来自邻近爆破孔的应力波相互叠加，将促使定向裂隙的扩展与分叉. 对比图9（b）～（f）中径向裂隙C-B可知，来自临近爆破孔的应力波与裂隙尖端的应力场相互叠加之后，裂隙尖端的应力场发生显著变化，致使裂隙继续扩展过程中逐渐偏离了初始方向，左爆破孔的径向裂隙向两爆破孔左侧扩展，右爆破孔的径向裂隙向两爆破孔右侧扩展. 对比图9（c）～（e）可知，临近爆破孔的应力波传播过后，裂隙空白带内逐渐出现非连续裂隙C-C，表明裂隙空白带内残余应力与临近爆破孔应力波的压缩应力相互叠加，增大了煤体质点的拉伸应力导致煤体质点被拉伸破坏，而应力波强度随着其向外传播不断衰减，煤体质点的拉伸应力强度逐渐降低，当拉伸应力小于煤体的动态抗拉强度时裂隙扩展终止，从而形成了非连续裂隙. 对比图9（c）～（f）可知，定向裂隙贯通后，贯通区上部和下部逐渐出现了垂直方向裂隙C-D，表明定向裂隙扩展贯通为爆生气体提供了通道，爆生气体在贯通区相互碰撞促进了裂隙的发育与扩展从而形成了垂直方向裂隙.(a)(b)(c)(d)(e)(f)图 9 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔之间裂隙扩展的影响. （a）t=1955 μs；（b）t=2320 μs；（c）t=2965 μs；（d）t= 3085 μs；（e）t=4355 μs；（f）t=5630 μsFig.9 Effect of the stress wave on crack propagation between two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=1955 μs；(b) t=2320 μs；(c) t=2965 μs；(d) t=3085 μs；(e) t=4355 μs；(f) t=5630 μs由图10可知，来自相邻爆破孔的应力波传播过后，两爆破孔左侧和右侧径向裂隙C-F以及上部和下部径向裂隙C-E的扩展方向均发生显著的变化，表明来自相邻爆破孔的应力波与裂隙尖端应力场相互叠加后改变了裂隙尖端合应力的方向，主导了径向裂隙C-E和C-F的转向.综上，两相邻爆破孔同时起爆时应力波叠加效应是促进两爆破孔左右两侧径向裂隙定向扩展的关键因素，同时也是抑制两爆破孔之间径向裂隙（定向裂隙除外）扩展贯通的重要因素.3 工程应用试验3.1 试验区瓦斯地质条件以平煤股份十矿己15.16-24130工作面中间煤巷为深孔聚能爆破致裂增透试验区，该工作面垂深980 ～ 1185 m，地质构造相对简单，煤层倾角较小. 所采己15、16煤层属二叠系下统山西组，煤层瓦斯压力和瓦斯含量较高，最大瓦斯压力为3.2 MPa，最大瓦斯含量为12.5 m3·t−1，煤层透气性系数约为0.052～0.076 m2·MP·a−2·d−1，是典型的高瓦斯低透气性煤层.· 1618 ·工程科学学报，第 42 卷，第 12 期3.2 试验钻孔设计根据试验区瓦斯地质条件，设计了如图11所示的试验钻孔布置方案，分别考察单孔爆破和双孔齐爆条件下的煤层致裂增透效果. 其中，双孔齐爆的爆破孔间隔分为5和9 m 2种. 试验过程中先施工考察孔，并将各个考察孔连接到矿井瓦斯抽采系统，待考察孔内瓦斯体积分数稳定后连续监测记录爆破前煤层瓦斯抽采效果，一周后开始施工爆破孔，爆破后继续监测记录各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量的变化.图 11 煤层深孔聚能爆破试验钻孔布置示意图（单位：m）. （a）单孔爆破；（b）双孔间隔5 m齐爆；（c）双孔间隔9 m齐爆Fig.11 Trial borehole layout of deep-hole cumulative blasting (unit: m): (a) single-hole blasting; (b) simultaneous explosion of two blastholes at 5-m intervals; (c) simultaneous explosion of two blastholes at 9-m intervals3.3 试验效果分析根据试验期间各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量监测结果，对比分析了单孔起爆和间隔为5 m 的双孔同时起爆对煤层瓦斯抽采效果的影响，绘制了聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量变化特征图（见图12）. 其中，D i表征D i1和D i2的合体，D i1和D i2两个考察孔在同一时刻瓦斯体积分数（瓦斯纯流量）的平均值为V i（F i）（i=1, 2, 3, 4）.由图12可知，爆破后煤层瓦斯抽采效果得到明显的提高，爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数、纯流量较爆破前增幅明显，且距离爆破孔越近，增幅越大. 但是，受起爆方式的影响，爆破后煤层瓦斯抽采效果存在一定的差异：在双孔齐爆条件下，爆破后各个考察孔内平均瓦斯体系分数及纯流量增幅均大于单孔爆破，随着远离爆破孔，双孔爆破和单孔爆破对应的各个考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量增幅的差值（净增长量）均呈先增大、后减小的趋势. 相比于距离爆破孔更近的D1考察孔，D2、D3考察孔受距离较近爆破孔的影响相对较小，裂隙发育程度相对较低，当距离较远爆破孔的爆炸应力波传播至此处时，应力波叠加效应对裂隙扩展的促进作用更明显.综上可知，双孔爆破能够有效地促进两爆破孔外侧煤层裂隙的发育扩展，提高爆破增透效果.随着远离爆破孔，双孔爆破叠加效应对裂隙扩展的促进作用呈先增加后减小的趋势.为研究双孔爆破应力叠加效应对两孔之间煤层裂隙扩展的影响，开展了如图11（c）所示的煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆试验，分析了试验期间各个考察孔内瓦斯抽采参数的变化特征，绘制了如图13所示的爆破孔两侧相同距离的D1和D7、D2和D6考察孔内瓦斯体积分数及纯流量的对比图.由图13可知，针对D1和D7考察孔，聚能爆破前后瓦斯体积分数及纯流量变化规律均基本一致，聚能爆破后D1和D7考察孔内平均瓦斯体积分数增幅分别为163.9%和163.5%，平均瓦斯纯流量增幅分别为177.1%和177.9%. 针对D2和D6考(a)(b)(c)图 10 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔左侧和右侧的裂隙扩展影响. （a）t=3085 μs；（b）t=4355 μs；（c）t=5630 μs Fig.10 Effect of the stress wave on crack propagation on the left and right side of two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=3085 μs; (b) t=4355 μs; (c) t=5630 μs郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理· 1619 ·· 1620 ·工程科学学报，第 42 卷，第 12 期图 12 煤层深孔聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量变化规律. （a～b）单孔爆破；（c～d）双孔爆破；（e～f）单/双孔对比Fig.12 Variations in gas volume fraction and gas pure flow in each test hole before and after cumulative blasting: (a−b) single-hole blasting; (c−d) double-hole blasting; (e−f) single-/double-hole blasting comparison图 13 煤层深孔聚能爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数（a）及纯流量（b）对比图Fig.13 Comparison of gas volume fraction (a) and gas pure flow (b) in each test hole察孔，聚能爆破前后瓦斯体积分数及纯流量变化表现出一定的差异性：聚能爆破后D2和D6考察孔内平均瓦斯体积分数增幅分别为133.9%、123.2%，平均瓦斯纯流量增幅分别为142.1%和135.2%，两爆破孔外侧相同距离处考察孔内瓦斯体积分数及纯流量的增幅均更大. 爆生裂隙（定向裂隙除外）扩展过程中，来自另一个爆破孔的爆炸应力波促使爆生裂隙的扩展方向发生转变，导致该区域煤体裂隙的扩展受到抑制，制约了该区域煤层瓦斯抽采效果的提高.图14为两爆破孔之间D71～D72考察孔内瓦斯体积分数及纯流量波动曲线. 爆破前各个考察孔内平均瓦斯体积分数、纯流量均相差不多，而爆破后各个考察孔内平均瓦斯体积分数存在一定的差异：自考察孔D71至考察孔D72，各个考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量均呈规律性波动. 位于两爆破孔中间位置的D5考察孔，比D61和D62考察孔离爆破孔更远，但D5考察孔内平均瓦斯体积分数或瓦斯纯流量明显高于D61和D62考察孔.在两爆破孔中心连线上，来自另一个爆破孔的爆炸应力波非但没有抑制裂隙的扩展，还将促进该方向上裂隙的扩展与分叉，当两爆破孔引起的煤体裂隙在该方向上贯通后，高压爆生气体在贯通区（通常为两爆破孔中间位置）相互作用促进了贯通区煤体裂隙的扩展，提高了该区域煤层的透气性；同时也在一定程度上弱化了双孔同时起爆过程中爆炸应力波相互叠加对部分区域煤体裂隙扩展的抑制作用.图 14 煤层深孔聚能爆破后两爆破孔之间各个考察孔内瓦斯体积分数（a）及纯流量（b）对比图Fig.14 Comparison of gas volume fractions (a) and gas pure flow (b) in each observation hole between two blastholes综上所述，煤层深孔聚能爆破双孔齐爆过程中，两爆破孔之间爆生裂隙的扩展方向在相邻爆破孔的爆炸应力波作用下发生转变，致使部分区域煤体裂隙扩展受限. 然而，来自相邻爆破孔的爆炸应力波非但没有抑制两爆破孔中心连线上爆生裂隙的扩展，还将促进该方向上裂隙的扩展与分叉，在两爆破孔的裂隙贯通区，爆生气体相互碰撞进一步促进了该区域裂隙的发育与扩展，大幅提高了煤层透气性，从而使两爆破孔之间不同考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规律性波动.4 结论（1）相邻两爆破孔同时起爆时爆炸应力波的叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区，迫使两爆破孔之间径向裂隙（定向裂隙除外）的扩展方向发生转变，难以朝着初始方向继续扩展贯通，这是导致两爆破孔之间部分区域形成裂隙空白带的关键因素.（2）聚能爆破定向积聚爆轰能量致裂煤体形成定向裂隙，两爆破孔的定向裂隙相互贯通后为爆生气体提供运移通道，爆生气体相互作用致使贯通区煤体进一步破裂形成垂直方向裂隙，垂直方向裂隙的不断发育扩展，最终贯穿裂隙空白带，避免了两爆破孔之间煤体的过度破碎，提高了爆破致裂效果.（3）聚能爆破致裂增透工程试验发现，双孔齐爆条件下不同位置处应力波叠加效应对裂隙扩展的影响存在一定差异：在两爆破孔外侧，应力波叠加效应将促进裂隙的扩展，且该作用随着远离爆破孔呈先增加、后减小的趋势；而在两爆破孔之间，应力波叠加效应对裂隙扩展具有一定的抑制作用，降低了部分区域煤层增透的效果，致使不同考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规律性波动.郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理· 1621 ·。
煤矿井下6种常用瓦斯治理增透措施解读
煤矿井下6种常用瓦斯治理增透措施解读通过充分调研国内现在各主要突出矿井使用的瓦斯泄压增透抽采技术，常见的通常有以下6种：①水力割缝技术；②水力冲刷技术；③水力冲孔技术；④水力挤出技术；⑤深孔预裂爆破技术；⑥水力压裂技术。
水力化技术主要原理是将具有高压能的水压入煤体内，延伸煤层原生的裂隙，或者人为的挤压形成新的孔隙、裂缝等，使得岩体的位置发生变化，进而对煤层完成了卸压、增渗。
1、水力割缝技术大致过程为：将具有一定高压能的水，射入到钻孔内，钻孔内四周的煤体受到冲击，且通过钻孔排出，钻孔四周通过水力的作用出现了大量的缝槽，提高了产煤量，提供了煤体变形空间，増大单孔影响范围，改善了瓦斯流动条件。
采用割缝的方法释放部分煤体的有效应力，使煤体发生塌陷和垮落，应力场发生变化，煤体缝隙的数量和宽度等都显著变大，煤体的渗透性大大提升。
但在实际工程中，由于诸多因素（如地质条件）的干扰，水力切割形成的间隙较小，煤体还没达到预期的破裂效果就在外力作用下的复合，割缝效果因此大幅减小。
而且在钻孔自喷煤层或硬质煤的矿井中这个技术是不能使用的。
2、水力冲刷技术是用水以一定的压力能冲刷钻孔，将水注入煤体，水压破坏了煤体，使煤体中的瓦斯被挤压出煤体，裂隙的数量以及煤体的湿度不断增加，煤质逐渐疏松，瓦斯抽采具有显著的增透作用，泄压的范围大大扩大，瓦斯压力显著降低，流动性显著增强，这与煤矿开采中的瓦斯泄压效果是一致的。
此外，该技术可以改变煤体的力学特性，增强塑性，降低弹性模量，使煤体内部的应力分布发生变化，可以有效避免瓦斯突出所造成的危害和损失，保证煤矿开采工作的高效开展。
3、水力冲孔技术可以有效地保护煤岩柱。
存在煤与瓦斯突出威胁的煤层可以实施水力冲孔作业，钻孔施工好后，通过高压水作业喷头冲击钻孔四周的煤体，大量的原煤和瓦斯被冲出，并出现大量裂隙，煤层应力重新分布，从而局部煤层完成卸压增透，有力地提高了抽放效果，在一定范围内降低了煤层瓦斯突出的威胁。
煤体内部爆炸作用的探究与爆破分区的理论计算
压混合状态。当拉伸应变超过煤体的极限应变，即切向拉应力超过煤体的动态抗拉强度时， 就会在径 向
初步探讨 了煤体 内部爆炸作用，并推 导出混合粉碎区、裂隙区范围半径 的理论计算公式。 关键 词 渗透性 瓦斯抽放率 球形药包 内部爆炸作用
中图 分 类号 Ｔ ３ ． Ｄ ２ ５１ 文献标识码 Ａ
１ 引言
煤矿 开采 过程 中，矿井 瓦斯 是煤矿 生产 的安全 隐患 ，合 理抽放 瓦斯 、防治 瓦斯灾 害工 作变得 更加 紧 迫和重要 。一般 认为 ，裂 隙是煤 层气流 动 的主要通 道 ，裂 隙 的发育程度 是控 制渗 透性 的关键 因素 阻。而 １ 利 用爆破 技术 可 以在煤体 内产 生大 量的裂 隙 ，降低 地应 力 ，增加煤 层 的渗 透性 ，提 高瓦斯 抽放 率 ，减少
４ 煤体 内部爆炸作用 的过程
当装药的最小抵抗线大于临界抵抗线时，即爆炸作用只 限于煤体介质内部，不受其 自由面的影响，
我们 称之 为炸 药在无 限煤 体介质 爆炸 的 内部作用 【丌 ６ 。借 鉴 己成 熟 的岩 石爆 破机 理 ， 以单个 球形 药包 为 －
例，对煤体内部爆炸作用进行探究分析。
瓦斯事故的发生【。因此，研究煤体的内部爆破作用机理具有一定的理论价值 。
２ 煤体的结构特性 与力学特征
煤体 结构 是指煤 层或 煤分层 在地质 演化 过程 中地应 力对 它 的破 坏程 度…。 体结 构一般 是定 性 的描 煤 述煤 体 的强度 ，按 照煤体 破坏程 度将 煤体 分为 四类 ：原生 结构煤 、碎 裂煤 、碎 粒煤 、糜 棱煤 ，强 度依次 降低 。坚 固性系 数 （）值 有一 定 的交叉 ，难 以细 分 ，一般 只可 以作 为区别 硬煤和 构造 软煤 的分类 指标 ｆ
煤岩动力灾害分析报告
以瓦斯为主的主要因素
许多研究者和国内外专家认为地质构造的突出与其他煤与 瓦斯突出问题有很高的相似性，都是在以瓦斯为主的作用 下发生的或者是间接参与发生的。该学说在很大程度上解 决了大多数瓦斯动力现象，有以下几种说法：
1、振动学说认为，煤与瓦斯突出的形成不是一个单独的 过程．而是由与围岩对煤层的振动作用有关的三个连续阶 段组成：第一阶段由于围岩压力增大、煤层体积缩小，瓦 斯压力增大从而部分瓦斯转化为吸附状态；第二阶段卸压， 瓦斯压力减小瓦斯解吸；第三阶段饱含粉碎煤和大量游离 瓦斯的煤层再次受压。当巷道接近该带时可能发生瓦斯突 出。该假说思路较简单，很容易解释采掘活动中煤与瓦斯 突出，但太过模糊。
建立冲击矿压力学模型如图所示：
图1-2
具有代表性的是夹持煤体理论。该理论认为，较坚硬的顶板可将 煤体夹紧，煤体夹紧阻碍了深部煤体自身或“煤岩——围岩”交 接处的卸载变形。这种阻抗作用意味着，由于平行于层面的侧向 力阻碍了煤体沿层面的卸载移动，使煤体更加密实，承受更高的 压力，积蓄较多的弹性能，夹持起了闭锁作用。据此在煤体夹持 所产生的力学效应是：压力高并存有相当高的弹性能，高压和弹 性能聚集于煤壁附近，一旦高压应力突然加大或系统阻力减小， 煤岩体将会发生破坏和运动，抛向采掘空间形成冲击矿压。
2、游离瓦斯压力说认为煤体内瓦斯气体压力是瓦斯突出 的主要能量源，解吸的吸附瓦斯仅参与搬运过程。该假说 从能量源上对瓦斯突出机理进行分析研究。
硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究与应用
硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究与应用兖煤菏泽能化有限公司王玉昌摘要：综采放顶煤是厚煤层实现高产高效、安全、低耗、低成本的采煤工艺。
随着放顶煤采煤法的应用，顶煤硬度大不易冒落，可放性差，成为造成顶煤回收率降低的主要问题。
本文介绍了硬顶煤条件下，深孔预裂爆破技术在放顶煤开采中的研究及应用，对深孔预裂爆破的机理、试验研究进行了论述。
该课题作为原煤炭工业部“九五”攻关项目“综采机械化放顶煤开采成套技术与装备研究”的子专题，.成功地提出一套50～80米深孔控制预裂爆破的打钻、成孔、装药、封孔及起爆工艺与配套设备，经科技项目检索查新，达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。
关键词：综采放顶煤开采硬顶煤深孔预裂爆破煤炭回收率1.概述兖矿集团鲍店煤矿是一座年设计能力300万吨的大型现代化矿井。
目前主要采用综采放顶煤开采技术。
顶煤硬度大、可放性差，顶煤滞后冒落、产生大块是造成顶煤回收率低的主要原因之一。
硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究目的和意义是：针对一些煤体强度大，节理裂隙不发育，顶煤中含夹矸，等条件下的放顶煤开采工作面，生产中存在的顶煤滞后冒落或产生大块堵住天窗，使顶煤不易放出等情况，采用“深孔预裂爆破技术”，在回采前进行顶煤预裂，并结合常压注水，提高顶煤可放行，从而提高顶煤回收率，减少采空区自燃发火，提高煤炭产量。
2.硬顶煤深孔预裂爆破机理在工作面顺槽内，沿工作面倾斜方向打爆破空与控制空；孔深50～100m，爆破孔直径为75mm，控制控直径为90mm，孔间距为8m左右。
通过爆破作用，炮孔周围产生直径为100～250mm的柱状粉碎圈带和一沿爆破孔与控制孔连心线方向长为8～10m的贯穿爆破裂缝带及次生的裂隙圈带。
爆破后，通过爆破孔向煤层注水，进一步扩大裂隙带几次生裂隙带的宽度；此外，在支架与矿压的反复作用下，使已经产生大量裂缝的顶煤进一步破碎。
这样，在放煤过程中，可以将硬顶煤顺利放出，达到提高工作面回采率与煤层注水的效果，减少采空区浮煤，防止自燃发火的目的。
低渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究
现 场难以测量的 问题 ， 采用理论 和数 值模 拟相结合 的 方法 ， 对低 渗透 煤层进 行单 孔和双 孔预 裂爆破 数值模
拟， 得到 了不同爆破参数 下应力、 压力和单位质 量塑性 功等物理 量动 态变化规律和 裂纹扩展 范 围， 分析 了深
孔预 裂爆破 裂纹扩展规律和煤体在 高温高压爆 生气体及 应力波作用下破坏 区域 的演化规律 。炸药在煤 体 内
ｐ ｒ ｅ — ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ ｌ ｙ ｐ ｅ ｒ ｍｅ ａ ｂ ｌ ｅ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ａ ｎ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｗｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ， ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｔ ａ ｌ ｐ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｗ ｏ ｒ ｋ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｃ ｅ ｌ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ａ ｔ ａ ｎ ｙ ｔ ｉ ｍｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
爆炸的瞬 间， 产 生 的 压 力远 大 于 煤 体 所 能 承 受 的 动 态抗 压 强 度 ， 煤体被破 坏形成爆破 空腔 ， 当爆 炸 冲 击 波 在
煤层卸压爆破在冲击地压厚煤层掘进巷道施工的作用
浅析煤层卸压爆破在冲击地压厚煤层掘进巷道施工的作用[摘要]本文论述了煤层卸压爆破的形式及煤层卸压爆破作用机理，煤层卸压爆破的参数和煤层卸压爆破的优、缺点的分析。
[关键词]冲击地压煤层松动爆破煤层卸压爆破煤层诱发爆破中图分类号：td324 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）23-0306-01正文：冲击地压是煤矿开采过程中，井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。
它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。
龙煤鹤岗分公司峻德煤矿位于鹤岗市区南端，是一个具有水、火、瓦斯、煤尘、冲击地压等多种自然灾害威胁的矿井，地质条件较为复杂。
随着生产水平的下移，第3水平是目前的主要生产水平，回采工作面采深达700m，开拓深度达800余米。
随着开采深度不断的增加，在三水平北3层、9层、17层煤层都先后有冲击地压现象的发生，严重威胁我矿安全生产。
冲击地压的动力现象不只在采煤工作面发生，还在煤巷掘进时显现。
峻德煤矿掘进一区9103队施工三水平北17层三、四区一段回风巷，当时由于对冲击地压认识不够，没有采取预防措施，于2010年11月17日、2011年1月11日在回风巷变平点35米—90米范围内发生二次较大的矿压冲击，之后为防止三水平北17层三四区一段回风巷掘进期间发生冲击地压，向前施工采取了煤层爆破卸压，以消除或减缓冲击危险，有控制地释放煤层内部集中应力，收到较好的效果。
一、工作面概况位于三水平北17层三、四区一段掘进工作面，掘进巷道采用锚网索支护，巷宽6.0m、巷高3.8m顺山梯形巷道，沿顶板施工；煤层赋存稳定以块状亮煤为主，含少量暗煤，走向185°～195°，倾角27°～32°。
煤层厚8.21m—12.94m，煤层直接顶为4.0～7.0m 的灰色细砂岩，以石英长石为主，含少量黑色矿物，老顶为30～40m 的浅灰、灰白色中、细砂岩，以石英、长石为主，底板为4.0～7.0m 的凝灰质粉砂岩，与上覆11层间距140～170m，与下伏21层间距60～70m。
高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理与效果
高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理与效果王海东（煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁抚顺113122）摘要：采用Hoek－Brown（HB）准则转化得到的等效Mohr－Coulomb（MH）准则表征煤体的本构特性，建立了高应力煤层深孔爆破的有限差分动力数值计算模型。
通过数值解与理论解的对比验证了FLAC3D动力模块模拟爆炸应力波在煤岩体介质中传播规律的有效性。
在爆炸应力波、爆生气体单独作用下以及两者共同作用下，对高应力煤层深孔爆破致裂增透过程进行了3种工况的动力数值模拟，通过模拟得出深埋高应力煤体深孔预裂控制爆破影响的主要因素及作用机理。
关键词：高应力低渗透煤层；深孔爆破；爆炸应力波；爆生气体中图分类号：TD235．37文献标志码：A文章编号：1003－496X（2012）S0－0017－05Enhancing Permeability Mechanism and Effectiveness of Deep－hole Blasting inHigh Stressed and Low Permeable Coal SeamWANG Hai－dong（Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Fushun113122，China）Abstract：A finite difference dynamic numerical calculation model for high stressed coal seam deep－hole blasting was set up by using the equivalent MH criterion which transformed from HB criterion to represent the constitutive behavior of coal body．Through the com-parison between numerical solution and theoretical solution，the effectiveness of FLAC3D power module in simulating the propagation laws of blasting stress wave in coal or rock mass was verified．Under the respective action of blasting stress and detonation gas，or under the action of both of them，three dynamic simulations on coal permeability enhancement by deep－hole blasting were conducted，and the key factors and mechanisms affecting deep－hole controlled blasting in high stressed coal body are achieved by simulation．Key words：high stressed and low permeable coal seam；deep－hole blasting；blasting stress wave；detonation gas文献资料表明［1］，迄今国外开采深度超过千米以上的金属矿山至少在114座以上，中国开采深度千米以上的金属矿3座，煤矿至少17座。
岩层“上、下三带”力学特性
岩层“上、下三带”力学特性作者：李鹏来源：《中国科技博览》2013年第37期摘要：上、下三带理论经过理论研究和生产实践已发展得日趋完善，该理论对工作面顶板控制和在承压水上安全开采评价及防治矿井底板突水灾害中起了重要作用。
通过本文介绍对上述理论更深入的理解，更好地推广应用，为矿井安全生产服务。
关键词：上三带；下三带；煤矿开采1 采场上覆岩层三带理论1.1 上三带的划分工作面煤层开采后，采用垮落法处理采空区，采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，根据采空区覆岩移动破坏程度，可以分为“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图1所示。
（1）垮落带：破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3-1.5。
但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。
此区域与所开采的煤层毗连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的。
（2）裂隙带：岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂隙带。
它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。
（3）弯曲下沉带：自裂隙带顶到地表的所有岩层称为弯曲下沉带。
弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂隙带顶以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。
若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。
1.2 上三带的范围（1）冒落带的分布范围冒落带位于覆岩的最下部，煤层采空后，上覆岩层失去平衡，从紧靠煤层的顶板岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空间被冒落的岩块充满。
冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3～4倍，薄煤层开采时冒高较小，一般为采煤厚度的1.7倍左右。
顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板为软岩时，冒落带高度为采出厚度的2～4倍。
（2）裂隙带的分布范围裂缝带位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙。
冒落带和裂隙带合称为两带，又称冒落裂隙带，在解决水体下采煤时，称两带为导水裂隙带。
深孔控制预裂爆破的若干分析
深孔控制预裂爆破的若干分析引言在我国煤矿瓦斯事故的防范过程中，瓦斯抽放是一个十分重要的手段。
然而，在我国当前绝大部分突出煤矿、高瓦斯煤矿的开采低透气性煤层中，普遍具有很低的瓦斯抽放率。
随着煤炭开采的发展，深部开采越来越多，瓦斯抽放难度也进一步增加。
通过实践研究表明，对煤体作用爆炸气体和应力波的力，能够在煤体上产生不可愈合的裂隙，从而使其透气性提高。
因此，利用深孔控制预裂爆破技术，能够使透气性低、瓦斯含量高的煤层提升瓦斯抽放率，节省抽放时间。
1.试验条件在试验选取的露天矿场位置，总厚度约为66m到82m，含有10层到12层煤层，主要分为局部可采煤层和全区可采煤层，煤矿种类为无烟煤，有煤尘爆炸、煤层自燃等风险。
在实际开采当中，露天矿场会产生每分钟160立方米以上的绝对瓦斯涌出量，產生的相对瓦斯涌出量约为每吨65立方米，是一种煤和瓦斯冲突的露天矿场种类。
在试验区开采结构较为单一的煤层，具有1.10m的平均厚度和0.8的普氏系数[1]。
在煤层中，含有每吨18.59立方米的原始瓦斯含量和1.0MPa的瓦斯压力。
在这一工作面当中，采用的开采方式为倾斜长壁后退式仰斜开采，900m的倾向推进长度和108m的走向布置长度。
在工作面的运输斜巷当中，向煤层大顺层进行钻孔，同时进行深孔控制预裂爆破，对煤层中的瓦斯进行预抽。
在爆破中，保持87mm的爆破孔径、60m的孔深、40m的装药长度、每米0.922kg的平均装药密度。
在一定的距离间隔中，平行布置94mm的孔径、70m孔深的瓦斯抽放孔，并在随后将其作为效果检验孔和爆破控制孔。
预抽超前距离为300m到500m，超前时间在6个月以上。
2.测定表面积和孔隙结构对试验管的原始体积，利用氦气进行测量，然后抽真空整个分析系统，使其达到0.67Pa，并将其中的杂质气体去除。
基于0.43nm的氮气分子直径，试验样品的孔隙率能够达到0.86nm的最小值。
同时利用相应的理论和模型，对煤体的孔容分布、孔表面积、孔径分布、比表面积等进行计算。
煤矿特种作业人员（煤矿瓦斯抽采作业）考试题库（完整版）
煤矿特种作业人员（煤矿瓦斯抽采作业）考试题库（完整版）1 2021 年煤矿特种作业人员（煤矿瓦斯抽采作业）考试题库（完整版）单选题1.抽采泵站司机()上岗,按时检测、记录抽采参数和抽采泵运行状况。
A、只要经过培训即可B、要经过培训持证C、可不经培训持证答案：B 2.钻探接近老空水时,应当安排专职瓦斯检查员或者矿山救护队员在现场值班,随时检查()。
A、空气成分B、老空水量C、钻探进度答案：A 3.钻孔前要先安装钻杆,连接钻杆时要对准丝扣,避免歪斜和()。
A、漏水B、漏气C、卸压答案：A 4.水环式真空抽采泵停止运转后,要按规定将管路和设备中的()放完。
A、水B、油C、气答案：A 5.《劳动法》规定,国家对女职工和()实行特殊劳动保护。
A、未成年工B、童工C、青少年答案：A 6.突出矿井的管理人员和井下工作人员必须接受()知识的培训,经考试合格后方准上岗作业。
A、生产B、防突C、防治水D、防火答案：B7.上下井乘罐的说法中,正确的是()。
A、上下井乘罐时可以尽量多地搭乘人员B、可以乘坐装设备、物料较少的罐笼C、不准乘坐无安全盖的罐笼和装有设备材料的罐笼D、矿长和检查人员可以与携带火药、雷管的爆破工同罐上下答案：C 8.采掘工作面经工作面突出危险性预测后划分为突出危险工作面和无突出危险工作面。
未进行工作面突出危险性预测的采掘工作面,应当视为()。
A、无突出危险工作面B、突出偶发工作面C、突出危险工作面答案：C 9.下面不属于矿井一通三防管理制度的是()。
A、机电管理制度B、瓦斯检查制度C、防尘管理制度答案：A10.使用局部通风机通风的掘进工作面,不得停风;因检修、停电、故障等原因停风时,必须将人员全部撤至(),并切断电源。
A、移动式救生舱B、全风压回风流处C、附近避难硐室D、全风压进风流处答案：D 11.矿井空气中一氧化碳的最高允许浓度为()。
A、0.0005%B、0.00025%C、0.0024%D、0.00066% 答案：C 12.煤层瓦斯中()占大部分。
岩石松动爆破裂隙区参数分析与应用
切向峰值拉力随距离的变化关系为 ： Nhomakorabea◎专题评述 ◎
岩石松动爆破裂 隙区参数分析与 应用
２ ７
一
（） ４
（） ７
把式 （ ）中 用岩石抗拉强度 代换 ，爆生气体准静压力产生的径向裂隙圈半径可表示为 ： ７
厂ｐ 、／ ｌ
‘
＝
』／ ， ＬＩ ）
（ ８ ）
值得注意的是 ， 对于高猛炸药 、 高阻抗岩石和耦合装药结构下得岩石径向裂隙主要是 由爆炸冲击波
和应力波的动态综合作用所 引发 。 相反 ， 其裂隙的形成则是爆炸应 力波和爆生气体综合作用的结果 ， 松 动爆破技术参数也应随之调整和优化。
２ ６
煤 矿 爆 破
２ １ 年 第 ４期总第 ９ 期 ０１ ５
※基金项 目：２ １ 年度 安徽 高校省级 自然科 学研 究项 目 （ 目编号：Ｋ ２ １ Ｚ ６ ）※ ０１ 项 Ｊ０１３ １
岩 石松 动爆破 裂 隙 区参数分析 与应用
张 立
淮 南职 业技 术 学 院工程 管 理 系，安徽 省 淮 南市 ，２２ ０ ３０１
文 献标 识码 Ｂ
中图分类号
Ｔ ３． Ｄ２ ５１
１ 引 言
爆破应力波在破岩时 ，如最小抵抗线超过临界抵抗线 ，在 自由面基本看不到爆破的痕迹 ，即爆破 作用未到达 自由面 ，只发生在岩石 内部 ，与松动爆破有较强的相似性 。从对岩石的爆破松动作用来看 ， 爆源处首先形成扩大空腔 ，然后依次向外产生压碎 、裂隙和震动 区。
煤岩破裂机理及其影响因素探讨
陷 ，属于低应 力断裂 。实验 表明岩 石的三轴破 裂特 征符合Ｃ ｕ ｍ ｏｌ ｂ ｏ
强度 准则” 。结合 Ｃ ｕ ｍ — ｈ 度准 则采用Ｔ ｒ ｇ ｉ ｏ ｌ ｂ Ｍｏ 疆 ｏ ｅｚ ｈ ａ 有效应 力理论
对含瓦斯煤岩进行分析 ， 出瓦斯 气体的存在降低了煤岩的强度 得 ‘ 。 从煤岩 的微观和宏观出发 ，探索煤岩破 裂的机理 ，为煤层气层水 力压裂破裂压 力的预测提供理论基础和科学 依据 。此外 ，煤岩破裂相 对常规岩石 的破 裂比较复杂 ，要考虑 多种 因素的耦合 ，分析不 同因素
的。
蕊 —ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ —一 …
组 成的 。劳恩 为 ，裂纹扩展 机理是分子键 的依次断裂 过程 ，关键 认 的断裂过 程主要限于裂纹顶端周 围原 子尺度的范围内 。量子 力学是 固 体理论 的基础 ，可以根据固体 的结 构和化 学成分 ，利用量子 力学方 法 准确 的算 出固体断裂过程 出现 的经验常数 。当然这种计算是有一定 的 局 限性 。煤岩 受载或受到其他扰动 时发生变形会改变固体 晶胞 的原 子 中电子 的空间位置或坐标 ，使 晶体势 能改变 ，从而造成煤岩 的断裂和 变形 。当煤岩 孔隙 中含有瓦斯 时 ， 岩的破裂强度有所降低 ，这主要 煤 是 由于孔 隙中的瓦斯气体产生 了吸附 作用力 ，改变了煤岩微裂 隙表面 分 子团 、分子或原子问 的势场 以及 能量交换过程 ，从而使裂纹扩展 条
对煤岩 力学性质 的影响是研 究煤岩破裂机理的重要方面 。 １ 煤 岩破 裂机理
斯气体 对煤岩骨架具有特殊作用 ，即达到 临界载荷值前孔 隙瓦斯帮助 煤岩骨 架支撑外力 ，达到临界载荷之后孔 隙瓦斯 帮助 外力加速 了煤 岩 体 的破坏 。 因此 ，煤岩体受载变形破裂过程是 内部缺陷 、 裂纹 在应 力作用下 扩 展分岔 、汇合贯通的结果 。煤岩孔隙 的瓦斯 在煤岩破 裂的初期起到 了一定的支撑 作用 ，当达到临界载荷时加速了煤岩的破裂。
爆炸荷载作用下煤体裂纹扩展机理模型实验研究
为衰减 系数 ， ，为偶合 系数 ， 冗为 比例 距离 （ Ｒ Ｒ＝ ／
） Ｒ为爆 心距Biblioteka 。 ， 由应力 、 密度和几何 比例关系可得模型实验其余
各 重要 比例 系数 ： 长度 ： ．５ 密 度 ：１６ 加速 度 口：１ 时 间 ０２ ； ．； ；
Ｄ
缝 一 圆
由于柱 状 装 药 预 裂 爆 破 很 少 有 能 量 从 煤 体 中泄 露， 因此 取 比例偶 合系数 为 ２０， 力波 比例 系数 Ｋ ． 应
Ｋ ／ ＝（ ． ５ １ ６ ０ ４ １ ２ ）＝（ ． ９，． ２ 。 ０ １／ ． ，． ／ ． ４ ０ ０ ０ ３ ）
模 型实 验材 料与原 型 实验 材料 密 度 比取密 度 相 似
收 稿 日期 ：２ １ ０ １—０ ２ 修 改 稿 收 到 日期 ：０ １ ６— ７ ３～ ５ ２ １ —０ ２
３ 总参工程兵科研 三所 ， 阳 ４ １２ ；． ． 洛 ７０３４安徽理工大学 现代教育技术 中心 ， 淮南
摘 要 ：为研究煤体在柱状装药爆炸荷载作用下裂纹扩展机理， ｒ ｄ 比例法为指导， 以Ｆｏ ｅ ｕ 建立煤层预裂爆破的模
型实验 。得到爆炸波在模 型介质中传播 的压力波形及模 型表 面加速度 、 应变 、 移波形 。描述模型在爆 炸荷载作 用下 的 位 宏观破坏现象 。研 究结 果表明 ： 模型实验与现场试验结果基本一致 ； 裂纹主要是 由压缩波与卸载波共 同作用形成 的 ； 裂纹 扩展方 向与炮孔轴线方 向垂直。
瓦斯 灾 害的主 要原 因之 一 。要 提 高瓦 斯 的抽 采 率必 须 提高 煤层 的透 气 性 ， 裂爆 破作 为一 门新 兴 煤 层 增 透 预
技术 ， 日益 成 为 热 点 课 题 。相 继 煤 层 预 裂 爆 破 原
煤层液态CO2相变致裂半径预测研究
煤层液态CO 2相变致裂半径预测研究王长禄1，2，3， 彭然1，2，3， 郑义1，2，3， 李伟1，2，3， 姚海飞1，2，3，4（1. 煤炭科学技术研究院有限公司 矿山智能通风事业部，北京 100013；2. 煤科通安(北京) 智控科技有限公司，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013；4. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083）摘要：预测致裂半径是确定液态CO 2相变致裂增透瓦斯抽采技术布孔间距的前提，直接影响瓦斯抽采效果。
现有预测方法大多基于单因素。
为掌握多因素对液态CO 2相变致裂半径的影响规律，有效预测布孔间距，采用ANSYS/LS−DYNA 数值模拟软件，结合正交试验，开展了煤层液态CO 2相变致裂半径预测研究。
数值模拟结果表明：影响液态CO 2相变致裂半径的因素主次顺序为地应力＞瓦斯压力＞煤体坚固性系数；致裂半径随地应力增大而减小，随瓦斯压力和煤体坚固性系数增大而增大，且呈线性关系。
对数值模拟结果进行多元回归分析，建立了基于地应力、瓦斯压力及煤体坚固性系数3组不同因素耦合条件下的液态CO 2相变致裂半径预测模型。
在煤矿现场进行工业性试验，基于预测模型计算结果设置抽采钻孔，采用压力指标法对瓦斯抽采效果进行测试分析，结果表明：液态CO 2相变致裂孔两侧观测孔的瓦斯压力随时间增加呈递减趋势，且抽采初期距致裂孔越远，则压力越大，与理论分析及数值模拟结果一致；液态CO 2相变有效致裂范围与预测结果基本相符；观测孔瓦斯抽采体积分数较自然抽采孔提高73.4%，瓦斯抽采效率显著提高。
关键词：瓦斯抽采；液态CO 2相变致裂增透；致裂半径预测；多因素耦合分析；正交设计；多元回归分析中图分类号：TD712 文献标志码：AResearch on the prediction of liquid CO 2 phase transition cracking radius in coal seamsWANG Changlu 1,2,3, PENG Ran 1,2,3, ZHENG Yi 1,2,3, LI Wei 1,2,3, YAO Haifei 1,2,3,4(1. Mine Intelligent Ventilation Division, CCTEG China Coal Research Institute, Beijing 100013, China ；2. CCRI Tong'an(Beijing) Intelligent Control Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China ； 3. Beijing Engineering and Research Center of Mine Safe, Beijing 100013, China ； 4. School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China)Abstract : Predicting cracking radius is a prerequisite for determining the holes spacing of gas extraction technology by liquid CO 2 phase transition cracking and permeability improvement, which directly affects the gas extraction effect. Most existing prediction methods are based on single factor analysis. In order to grasp the influence of multiple factors on the radius of liquid CO 2 phase transition cracking and effectively predict the spacing between holes, ANSYS/LS-DYNA numerical simulation software is used to carry out the research on predicting the radius of coal seam liquid CO 2 phase transition cracking combing with orthogonal experiments. The numerical simulation results indicate that the order of factors affecting the radius of liquid CO 2 phase transition cracking is ground stress>gas pressure>coal solidity coefficient. The cracking radius decreases with the increase of stress, and increases with the increase of gas pressure and coal solidity coefficient with a linear relationship. A收稿日期：2023-04-24；修回日期：2023-10-14；责任编辑：李明。
煤层压裂的实践与认识
3．煤层与砂岩层的差异
固相颗粒伤害差异： 砂岩：少量岩粉 煤层：软煤煤粉；粉煤煤粉；块煤次生煤粉；夹 矸岩粉； 支撑剂镶嵌作用差异： 砂岩：砂岩硬度较高，选择合适硬度的支撑剂， 镶嵌作用不明显； 煤层：石英砂硬度高于煤层硬度，在闭合应力 作用下，煤层裂缝闭合，石英砂易镶嵌于煤层之 中，降低裂缝导流能力；
5．煤层压裂技术要点
泵注程序优化 前置液+携砂液+冲洗液+携砂液+替置液量； 泵注排量控制： 由小到大逐步递增，合理控制、相对稳定； 携砂液密度控制： 由小到大台阶式递增，最后阶段迅速提高密度； 泵注压力控制： 限制最高压力在安全范围，正确处理压力突变； 应急预案处理： 充分依靠压裂工程师的智慧与现场经验；
压裂液对煤层伤害性
• 活性水对煤层伤害性
50 伤害前渗透率 38.145 伤害后渗透率 33.285
渗透率（ × -3μm 2） 10
40 注活性水段 30 伤害率 12.74% 20
10
0 0 100 200 300 400 500
时间（min）
压裂液对煤层伤害性
• 线性胶对煤层伤害性
80 伤害前渗透率 58.0982 60 伤害率 56.07% 40 注线性胶段 20 伤害后渗透率 25.5227
2．煤层的基本物理特性
矿物特性：煤层是以固定碳为主要成分的有机岩 体，含有一定量的挥发份物质，灰分在煤层中占 有相当的比例，煤层气主要以吸附形式储存于煤 岩体之中。 结构特性：宏观的单一煤层是由众多更薄的煤层 和夹矸构成，薄煤层、夹矸之间存在较大物性差 异；煤岩的孔隙度极低，煤层中广泛发育垂向、 成组型裂缝，但是裂缝的连通性较差。 含水特性：煤层裂隙普遍含水，煤岩孔隙不一定 含水，煤层一般不是富水层，煤层水矿化度普遍 较低。
温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究
温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究王登科;张平;刘淑敏;魏建平;于充;孙刘涛【摘要】为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征,采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验,利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征.基于数字图像处理技术,对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理,定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化,并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化.研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝,导致大孔体积相应减少,中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因.研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2018(043)012【总页数】9页(P3395-3403)【关键词】温度冲击;热应力;孔缝结构;破坏机理;试验测试【作者】王登科;张平;刘淑敏;魏建平;于充;孙刘涛【作者单位】河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南湘潭411201;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TU397煤层气被视为洁净能源，是推动能源生产和消费革命的重要载体[1-2]。
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爆破作用下煤层裂隙发展动力学分析摘要爆破作用下煤层裂隙发展动力学的主要是对于我国高瓦斯低透性煤层进行研究的，对于解决防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要的现实意义。
本文运用断裂力学、损伤力学等经典动力学理论对爆破作用下煤层裂隙的发展进行了较为深入分析和研究，并总结、运用已有的研究成果对爆破作用下煤层裂隙的发展进行了新的探索。
文中从煤体的力学性能等得出动荷载对煤岩体弹性模量的影响，对爆破作用下煤体破坏产生裂隙机理进行了详细的分析说明。
通过煤体中炸药爆炸的能量分布、煤岩体爆破损伤断裂准则、煤岩体中爆破应力的分布等煤岩体发生破坏的力学状态以及对控制孔、应力波、爆生气体、贯穿裂隙形成条件、煤层瓦斯压力等影响裂隙发展的因素进行理论分析，得出爆破作用下煤岩体裂隙的扩展速度。
最后研究分析爆破作用下煤层裂隙的形成过程，并推导出爆破作用下煤层裂隙的张开位移、破碎圈与裂隙圈的形成范围的计算公式。
【关键词】爆破；孔隙裂隙；动力学【文章类型】应用型NO:Title: A study on dynamics of coal seam fracture under the action of blast Major:Engineering MechanicsName:Dong kangqian Signature:Supervisor:Zhang tianjun Signature:ABSTRACTA study on dynamics of coal seam fracture under the action of blast for solving the control of coal and gas outburst, the protection of coal mine production safety have important practical significance for China's high gas and low permeability of coal seam.This paper use of fracture mechanics and damage mechanics of classic dynamics theory under the action of blasting coal fracture development analyses and studies, summarize then apply the existing research results explore about the action of blasting fracture development of coal seam.We conclude coal and rock effect elastic modulus influence from the mechanical properties of coal, then particular explain about damage fracture mechanism of coal produced under the action of blasting. We conclude that under the action of blasting coal rock fracture extension of speed, through analysis the theory of coal and rock mechanics state of the damage occurred, control hole, stress, explosion gases, throughout the fissure formation conditions, and coalseam gas-pressure which effect fracture development, coal and rock mechanics state of the damage occurred include explosive energy distribution of coal and rock blasting damage fracture criterion of coal and rock blasting the distribution of stress.At last, research analysis the formation process of coal fracture, then deduce coal seam of fissures opening displacement under explosive attack, computational formula of broken circle and fissure circle formed the range.【Keyword】Blasting; Gap fissure; Dynamics【Article type】Applied目录1 绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 研究方法和研究内容 (3)2 煤岩体的力学性能 (4)2.1 煤岩体的基本力学性质 (4)2.2 煤岩体的动力学性能 (4)2.3 动荷载对煤岩体弹性模量的影响 (5)2.4 本章小结 (6)3 爆破作用下煤岩体裂隙产生机理 (7)3.1 煤岩体中炸药爆炸时的能量分析 (7)3.2 煤岩体爆破损伤断裂准则 (9)3.3 煤岩体裂隙的断裂力学计算 (11)3.4 煤岩体中深孔爆破应力分布 (12)3.4.1 运动学和动力学控制方程及应力应变关系 (13)3.4.2 边界条件 (15)3.4.3 塑性区应力 (16)3.4.4 弹性区应力 (16)3.5 控制孔作用机理 (17)3.6 爆炸应力波的作用 (19)3.7 爆生气体的作用及贯穿裂隙的形成条件 (20)3.8 煤层瓦斯压力对裂隙扩展的作用分析 (21)3.9 爆破作用下煤岩体的裂隙扩展速度 (22)3.10 本章小结 (24)4 裂隙区的形成过程 (25)4.1 裂隙的张开位移 (25)4.2 破碎圈生成及范围 (26)4.3 裂隙圈的形成与范围 (27)4.4 本章小结 (28)5 结论与展望 (29)5.1 结论 (29)5.2 展望 (29)致谢 (31)参考文献 (32)1 绪论1.1 研究背景和意义1.1.1 研究背景我国煤炭资源丰富，也是以煤炭为主要能源的国家，而煤炭占我国一次能源构成的65%左右，煤炭在我国国民经济的发展中占有举足轻重的地位。
但是，近几年煤矿事故在我国频繁发生，造成了巨大的经济损失。
我国煤炭工业的发展受到煤矿安全的严重制约，成为煤炭工业发展的“瓶颈”。
随着煤层的开采的扰动，滞留在煤层中的瓦斯不断的释放出来，其主要危害有三个方面：瓦斯爆炸、瓦斯窒息、煤与瓦斯突出。
据不完全统计，在我国发生的煤矿事故中，存在煤与瓦斯突出危险和高瓦斯矿井占57.2%[1]左右。
而40%以上是由瓦斯爆炸事故造成的，瓦斯事故占一次死亡3人以上事故中的70%以上。
一次死亡10人以上特大事故中，由瓦斯爆炸引起的事故占82%以上。
死亡人数和煤矿事故之多，对于我国国民经济和社会稳定发展造成了恶劣的影响。
几十年来，为解决煤矿安全问题，国内外针对煤层瓦斯抽放曾研究实施过相当多的技术方案，虽然为防治煤与瓦斯突出事故发生起到积极的作用，但都没有能从根本上解决问题，至今未形成完整有效的技术体系。
针对我国高瓦斯煤层特点，应力求找到实现泄压增透高效抽采的新方法和新途径，防治瓦斯爆炸和控制生产过程中的煤与瓦斯突出事故，实现煤与瓦斯共采，达到矿井安全生产和不可再生的高效清洁资源的充分利用。
目前国内外主要采用深孔预裂爆破技术抽放瓦斯，该项技术主要是通过炸药爆炸产生的应力波、爆轰气体作用于煤层，破坏煤层的骨架结构，使之最终产生裂隙网并形成瓦斯排放通道，降低瓦斯压力和地应力，从而减少煤矿灾害发生的几率和严重程度。
可见，对于爆破作用下煤层裂隙扩展的动力学研究也显得十分重要且意义重大。
1.1.2 研究意义我国煤矿伤亡事故频发的主要原因有：一是煤矿自然条件较差，我国国有重点煤矿中有一半以上都是高瓦斯和煤与瓦斯突出的矿井，大部分矿井存在自然发火和煤矿爆炸危险；二是随着开发向深部延伸，煤层中的瓦斯含量逐渐增大，煤层透气性降低，瓦斯压力增大，冲击地压等灾害也随之增加[2]；三是安全科技的投入严重不足，对于许多重大的安全技术难题不能从事故发生的源头或理论上进行研究解决[3]。
矿井地下深部原始煤岩层中的瓦斯，主要以游离状态和吸附状态存在。
当煤体受到采动影响或其它卸压工程的影响时，游离和解吸瓦斯沿孔隙或裂隙通道释放到低压采矿空间，因此，瓦斯的运输轨迹与煤岩体的裂隙发展走向有着密切的关系。
目前国内外主要采用深孔预裂爆破技术抽放瓦斯，该项技术主要是通过炸药爆炸产生的应力波、爆轰气体作用于煤层，破坏煤层的骨价结构，使之最终产生裂隙网，形成瓦斯排放通道，降低瓦斯压力和地应力。
而此项技术的关键是爆破作用下煤层裂隙的发展，因此，进行爆破作用下煤层裂隙扩展的动力学研究，对于更加清楚的认识和理解在爆破作用下煤岩体的裂隙发展以及对于预裂爆破抽放瓦斯、防治瓦斯灾害的研究都具有理论与实践意义。
1.2 国内外研究现状动力学是理论力学的一个分支学科，主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。
动力学以牛顿第二定律为核心，基本内容包括质点动力学、质点系动力学、刚体动力学、达朗贝尔原理等。
为了适应采矿业的大力发展，关于煤岩体的动力学研究也越来越受到力学界与采矿界的关注。
我国在研究爆破作用下煤岩体裂隙发展与实践方面有一些相关研究，如钮强教授对采矿爆破方面的研究对于采矿爆破具有指导性的意义[4]。
河北工程学院的李金奎教授运用深孔爆破对高应力软岩巷道进行了试验和研究，试验结果表明高应力的软岩巷道卸压在巷道初期对围岩的变形量、变形速度和稳定时间都具有很好的控制作用，改变了围岩的应力状态[5]。
国外也对爆破作用下煤岩体裂隙发展的研究与实践方面进行了相关研究，如在前苏联，1956~1958年及1988年在卡拉干达煤田进行了深孔预裂爆破技术抽放瓦斯这方面的试验，其目的是增加煤层裂隙，扩大瓦斯流量，缩短抽放时间，试验效果良好。
印度学者M. KUMAR、P. K. GHOSH、A. K.SINGH研究了印度东南煤矿有限公司鲍拉姆长壁工作面的一个案例，描述了深孔从表面的泥土层引起岩石爆破试验的调查结果[6]。