煤体爆破作用机理及试验研究
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摘要
利用爆破技术在煤体中产生相互贯通的裂隙，以提高瓦斯的抽放率，缩短抽放时间，是煤矿防治瓦斯事故的重要措施。本文利用理论分析、试验研究和数值模拟研究等方法对煤体爆破作用机理进行研究，对提高煤层瓦斯抽放率和防止瓦斯突出具有重要的科学意义和广泛的应用前景。
在对煤体物理力学性质和工程性质调研分析的基础上，参照国家围岩分类方法,以煤体可爆性和巷道稳定为工作指标将煤体划分为五类，即特硬煤、坚硬煤、硬煤、中硬煤和软煤，并设计相似模拟试验确定了煤体的模拟材料及配比。从理论上分析了煤体中爆炸应力波、爆生气体与瓦斯气体的作用机理，将煤体爆破损伤断裂过程分为爆炸应力波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段，计算了爆炸应力波作用形成初始宏观裂纹尖端的应力强度因子，并确定了爆炸应力波和爆生气体与瓦斯气体两种载荷作用下不同阶段裂纹的扩展规律以及断裂准则。瓦斯气体的存在在一定程度上能够增大应力波峰值并延长应力波的作用时间，有利于裂纹的形成与扩展。在Taylor方法的基础上，由煤体初始密度和损伤密度定义爆破损伤变量，确定损伤演化方程，根据有效应力原理确定含瓦斯煤体动态本构方程，建立了含瓦斯煤体爆破损伤模型。设计了模拟煤体爆破作用试验，对试块中爆炸应力波、超声波波速、表面宏观裂纹、爆破漏斗几何尺寸和块度进行测量统计分析，利用试验结果和试块爆破效果研究分析了煤体中爆炸应力波传播与衰减规律，爆破损伤规律与机理、爆生气体与瓦斯气体在煤体爆破过程中的作用、爆破漏斗特性和煤体爆破作用机理，试验结果验证了理论分析的正确性与合理性。最后，运用DYNA软件建立含瓦斯煤体爆破计算模型，对含瓦斯煤体中爆炸应力场进行数值模拟计算，计算结果与试验结果和理论分析结果具有较好的一致性。
论文的研究成果对利用爆破技术提高瓦斯抽放率具有重要科学意义和实用价值，为煤体爆破作用机理深层次的研究提供了理论和试验基础。
Use of blasting technology to produce mutually penetrated crack in coal, then improve the gasdrainage rate, Shorten the drainage time, is the best radical measure for controlling gas accidents.Use the methods such as theoretical analysis, experimental research and numerical simulationcalculation. Author studied the coal blasting mechanism and crack expansion mechanism, theresearch findings have important scientific significance and wide application prospects in improvingthe coal seam gas drainage rate and preventing the outburst.
Based on the investigation and analysis of coal’s physical and mechanical properties，thenature of project, and according to the country rock classification methods,author selected coalblastability and roadway stability as working index, the coal is divided into five categories, thatis,special hard coal, strong hard coal, hard coal, medium hard coal and soft coal. The coal simulationmaterial and proportion are determined by designing coal similar simulation test. Author analyzedthe action mechanism of the blasting stress wave, the detonation gas and coal mine gas in theory, anddivided the process of coal blasting damage and fracture into the initial stage of blast waves and thelater stage of the detonation gas and coal mine gas. Calculated the stress intensity factor of the initialmacro crack tip identified crack propagation and its fracture criterion at different stages under twokinds of loads. Based on the Taylor method, author defined blasting damage variable by initialdensity and damage density of coal, and studied the damage evolution equation, then determined theconstitutive equation of coal containing gas according to the effective stress principle, and finally,established the blasting damage model of coal containing gas. Author designed simulating coalblasting experiments, measured and statistical analyzed the explosive stress wave, ultrasonic wave,surface crack，the geometric parameters of blasting crater and the distribution of the fragments.Using the results of the experiments and test block blasting effect,studied on the law of blast stresswave’s propagation and attenuation, the law and mechanism of blasting damage, the effect ofdetonation gas and methane gas in coal blasting process, broken crater characteristics and coalblasting action mechanism. The test results verified the correctness and rationality of theoreticalanalysis. Finally, author established the blasting calculation model of coal containing gas using theDYNA software, and then calculated the explosive stress field, the calculation results agree well withexperimental results and the theoretical analysis results.
The research findings have important scientific significance and wide application prospects in improving the coal seam gas drainage rate, provides theoretical and experimental basis for the Deepstudy on coal blasting mechanism.
在对煤体物理力学性质和工程性质调研分析的基础上，参照国家围岩分类方法,以煤体可爆性和巷道稳定为工作指标将煤体划分为五类，即特硬煤、坚硬煤、硬煤、中硬煤和软煤，并设计相似模拟试验确定了煤体的模拟材料及配比。从理论上分析了煤体中爆炸应力波、爆生气体与瓦斯气体的作用机理，将煤体爆破损伤断裂过程分为爆炸应力波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段，计算了爆炸应力波作用形成初始宏观裂纹尖端的应力强度因子，并确定了爆炸应力波和爆生气体与瓦斯气体两种载荷作用下不同阶段裂纹的扩展规律以及断裂准则。瓦斯气体的存在在一定程度上能够增大应力波峰值并延长应力波的作用时间，有利于裂纹的形成与扩展。在Taylor方法的基础上，由煤体初始密度和损伤密度定义爆破损伤变量，确定损伤演化方程，根据有效应力原理确定含瓦斯煤体动态本构方程，建立了含瓦斯煤体爆破损伤模型。设计了模拟煤体爆破作用试验，对试块中爆炸应力波、超声波波速、表面宏观裂纹、爆破漏斗几何尺寸和块度进行测量统计分析，利用试验结果和试块爆破效果研究分析了煤体中爆炸应力波传播与衰减规律，爆破损伤规律与机理、爆生气体与瓦斯气体在煤体爆破过程中的作用、爆破漏斗特性和煤体爆破作用机理，试验结果验证了理论分析的正确性与合理性。最后，运用DYNA软件建立含瓦斯煤体爆破计算模型，对含瓦斯煤体中爆炸应力场进行数值模拟计算，计算结果与试验结果和理论分析结果具有较好的一致性。
论文的研究成果对利用爆破技术提高瓦斯抽放率具有重要科学意义和实用价值，为煤体爆破作用机理深层次的研究提供了理论和试验基础。
Use of blasting technology to produce mutually penetrated crack in coal, then improve the gasdrainage rate, Shorten the drainage time, is the best radical measure for controlling gas accidents.Use the methods such as theoretical analysis, experimental research and numerical simulationcalculation. Author studied the coal blasting mechanism and crack expansion mechanism, theresearch findings have important scientific significance and wide application prospects in improvingthe coal seam gas drainage rate and preventing the outburst.
Based on the investigation and analysis of coal’s physical and mechanical properties，thenature of project, and according to the country rock classification methods,author selected coalblastability and roadway stability as working index, the coal is divided into five categories, thatis,special hard coal, strong hard coal, hard coal, medium hard coal and soft coal. The coal simulationmaterial and proportion are determined by designing coal similar simulation test. Author analyzedthe action mechanism of the blasting stress wave, the detonation gas and coal mine gas in theory, anddivided the process of coal blasting damage and fracture into the initial stage of blast waves and thelater stage of the detonation gas and coal mine gas. Calculated the stress intensity factor of the initialmacro crack tip identified crack propagation and its fracture criterion at different stages under twokinds of loads. Based on the Taylor method, author defined blasting damage variable by initialdensity and damage density of coal, and studied the damage evolution equation, then determined theconstitutive equation of coal containing gas according to the effective stress principle, and finally,established the blasting damage model of coal containing gas. Author designed simulating coalblasting experiments, measured and statistical analyzed the explosive stress wave, ultrasonic wave,surface crack，the geometric parameters of blasting crater and the distribution of the fragments.Using the results of the experiments and test block blasting effect,studied on the law of blast stresswave’s propagation and attenuation, the law and mechanism of blasting damage, the effect ofdetonation gas and methane gas in coal blasting process, broken crater characteristics and coalblasting action mechanism. The test results verified the correctness and rationality of theoreticalanalysis. Finally, author established the blasting calculation model of coal containing gas using theDYNA software, and then calculated the explosive stress field, the calculation results agree well withexperimental results and the theoretical analysis results.
The research findings have important scientific significance and wide application prospects in improving the coal seam gas drainage rate, provides theoretical and experimental basis for the Deepstudy on coal blasting mechanism.
引文
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