深孔控制松动爆破防突技术的研究方案

巷道快速掘进防治

煤与瓦斯突出技术的研究

中国地质大学（北京）平煤集团十矿

目录

深孔控制松动爆破防治煤与瓦斯突出技术的理论研究 (3)

前言 (3)

1 深孔控制松动爆破成缝机理 (3)

爆炸应力波的作用机理 (3)

爆生气体作用及贯通裂隙形成条件 (4)

控制孔的应力散布 (5)

2 深孔控制松动爆破参数设计 (8)

孔径的选择 (8)

火药选择 (9)

装药方式 (9)

爆破孔与控制孔间距选择 (9)

爆破孔和控制孔的设计参数 (13)

大直径钻孔预测煤与瓦斯突出技术的理论研究 (15)

3 钻屑量（钻屑倍率）的理论分析 (15)

钻屑量（钻屑倍率）的理论推导 (15)

影响钻屑因素的分析 (19)

工程应用的评价 (19)

4 钻屑解吸指标的理论分析 (20)

儓᠄牦儤堁卅䉁◶閔撀解䐸腌怐框⒡H相同。4,扩散臀喃 (21)

"0巄䁜面蒻塐瓦䖤䶌凘氄体动䂙嬦模喋 (27)

5"2 ᒳ䭔擆斏涌出䈝速度的分➐结暜 (28)

深孔控制松动爆破防治煤与瓦斯突出技术

的理论研究

前言

深孔控制预裂爆破技术是由松动爆破和控制孔组合形成的一种防治煤与瓦斯突出的技术，其特点是在爆破孔周围增加辅助自由面（控制孔）进行爆破，提高爆破孔产生松动（裂隙）范围的一种增透方式；在其产生煤层裂隙进程中，既不同于一般的预裂爆破又不同于松动爆破。它是由爆炸压力波、爆生气体和瓦斯压力一路作用煤体的结果，因此在研究深孔控制预裂爆破防治煤与瓦斯突出技术前，研究清楚其作用机理，对实际防治煤与瓦斯突出具有很重大的指导意义。

1 深孔控制松动爆破成缝机理

爆炸应力波的作用机理

在煤壁中，火药在炮孔内爆炸，产生强冲击波和大量高温、高压爆生气体。由于爆炸压力远远超过煤的动抗压强度，使孔半径1～3倍范围内的煤体被强烈紧缩、粉碎，形成紧缩粉碎区，或称爆破近区；在该区有相当一部份爆炸能量消耗在对煤体的过度破碎上；然后，冲击波以应力波形式向煤体深部传播。在应力波作用下，煤体质点产生径向位移，由此在靠近紧缩粉碎区的煤体中产生径向紧缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过煤体的动抗拉强度时会产生径向裂隙，并随应力波向前传播而扩展。当应力波衰减到低于煤体抗拉强度时，裂隙便停止扩展。在应力波向前传播的同时，爆生气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中。由于气体的尖劈作用，使裂隙继续扩展。随着裂隙的不断扩展，爆生气体膨胀，气体压力也迅速降低。当压力降到必然程度时，积蓄在煤体中的弹性

能就会释放出来，形成卸载波，并向炮孔中心方向传播，使煤体内部产生环向裂隙，通常环向裂隙较少。由于径向裂隙和环向裂隙彼此交叉而形成的区域称之为裂隙区或爆破中区；当应力波进一步向前传播时，己经衰减到不足以使煤体产生破坏，只能使煤体质点产生震动，以地震波形式传播直至消失；故把裂隙区之外的区域称为震动区或爆破远区。如图1－1所示。

图1－1 爆破孔受力区域散布图

爆生气体作用及贯通裂隙形成条件

在应力波事后，爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上己张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。在裂隙扩展进程中，爆生气体第一进入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中；然后再进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生气体压力降到不足以使裂隙继续扩展为止。爆生气体在煤体内产生的准静态应力能够为随距炮孔中心距离的增加而衰减，在煤体内存在爆生气体应力梯度。因此，爆破裂隙始终是向着远离炮孔方向进展。在爆破孔轴向方向，若存在压力梯度，裂隙也会沿着轴向扩展。总之，裂隙在爆生气体压力驱动下，始终朝着压力（或应力）低的方向扩展。为简化分析，第一分析爆破炮孔周围裂隙的扩展情形。假设煤体为线弹性体，孔壁经受准静态压力作用，故可用线弹性断裂力学进行描述，其断裂力学模型如图1－2所示。

图1－2裂隙扩展断裂力学模型

由线弹性断裂力学可知,在孔内压力作用下，裂隙尖端应力强度因子为

Ｋr=πL[(1-2/π)P m-σ]

式中:L为裂隙扩展刹时长度；P m为孔壁压力；σ为地应力。由式可看出,随着地应力σ的增大，应力强度因子Ｋr呈线性下降趋势。在距爆破孔中心较远的位置，爆生气体准静态压力已大大降低，一样Ｋr也大大减小。当Ｋr衰减到必然值时,爆破裂隙便停止扩展。裂隙失稳扩展条件为

Ｋr≥1. 6K rc

式中, K rc为静态断裂韧性,N/ｍ3/2。

综合上述分析，可得出爆破孔间形成贯通裂隙条件是：

L≥K rc/ [(1-2/π)Pｍ-σ]2

爆破孔与控制孔间距L k应知足下列条件：

L k≤L

控制孔的应力散布

由于爆破孔周围存在辅助自由面—控制孔，当紧缩应力波传播到该自由面时，会反射成拉伸波，当拉伸波大于煤体的抗拉强度时，就会产生霍金逊效应，使煤体从自由面向里片落。同时反射拉伸波和径向裂隙尖端处的应力场彼此叠加，促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展，大大增加裂隙区的范围。如图1－3所示

图1－3 爆破孔和控制孔作用示用意

由于控制孔直径远小于孔间距，因此可把爆炸压力对控制孔的作用视为无穷大煤体中受爆炸压力作用的弹性力学模型，控制孔处于爆炸应力场中，使爆炸应力的散布状态发生改变，在控制孔周围产生应力集中。其受力状态力学模型如图1－4所示。

图1－4a 控制孔与爆炸孔布置图

图1－4b 控制孔受爆炸应力影响的应力状态

第一考虑煤体单向拉力时

拉伸应力P ，由弹性力学得出，横截面a a '上的应力散布为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++='4222163422r d r d P a a σ 式中d ―控制孔半径，m ；

r ―截面上某点离孔中心的距离，m 。

在截面a a '上，随着r 的增加，应力专门快衰减：

当P 22.1＝时，a a d r '=σ

P 04.12＝时，a a d r '=σ

可见，在控制孔边缘a a '上的应力散布特点：孔边应力大，衰减快，孔边形成最大应力为3K max ＝＝σσ

在纵截面b b '上的应力散布为

控制孔周围的切向应力为：

孔边b 点应力的绝对值最大，应力状态为压应力

P b b -='σ

在截面b b '上，随着r 的增加，应力也衰减专门快：

当P 003.0＝时，b b d r '=σ

P 025.02＝时，b b d r '=σ

当控制孔受到双向力时

若彼此垂直的两个方向上的一个为拉应力，一个压应力时。则控制孔边缘

的应力按照上述单向应力情形进行叠加而得：

当垂直P 单独作历时，P P b a -=σσ,3＝

当水平P 单独作历时，P P b

a 3,=-σσ＝

222244312r d r d P b b ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='σ