综采面超长深孔柱状装药爆破破裂机理及强制放顶技术研究

Considering the major safety accidents, casualties and fully mechanized equipment system crushed, etc., caused by hard roof long distance caving in fully mechanized face of deep mine, the technology for loosening controlled blasting with super-deep hole cylindrical charge is proposed and the fracture mechanics model is set up. By field rock mechanics test, laboratory test and impact dynamic test, etc., the law of dynamic response and failure mechanism of rock under impact load is investigated in high stress and high ground temperature. Then the relationsship between blasting stress field distribution caused by super-deep hole cylindrical charge with initial ground stress, hole depth, hole diameter, non-coupling coefficient, etc., is revealed. Blast-induced crack propagation criterion which considers ground stress is set up to present the rule of blast-induced crack propagation in deep rock and its relationship with initial ground stress. By orthogonal experiment, both explosive risk and brisance of coal mine permissible water gel explosive are analyzed to develop a high security and high power water-gel explosive grain. Based on the principle of fracture mechanics and damage mechanics and explosion dynamic mechanics, the crack propagation law and instability are revealed, optimizing the controlled blasting parameters then testing in fully mechanized coal face.The research provide a theoretical basis for blasting parameters design and construction of forced caving with super-deep hole cylindrical chargee, and it has potential applications.

鉴于深部煤矿综采面坚硬顶板长距离垮落造成人员伤亡或压坏综采设备系统等重大安全事故的现象，提出了坚硬顶板内超长深孔柱状装药松动控制爆破技术，建立破裂力学模型，用现场岩石力学测试、实验室测试和冲击动力学试验等方法，探索高应力、高地温条件下岩石的动态响应规律和破坏机理，揭示岩体内超深孔柱状装药爆炸应力场分布与初始地应力、炮孔深度、炮孔直径、不耦合系数等参数的关系，建立考虑地应力作用下岩体爆生裂纹扩展判据，研究深部岩体爆炸作用下裂纹扩展的规律及其与初始地应力的关系；利用正交试验原理和方法分析煤矿安全许用水胶炸药的爆炸安全性和爆炸威力，研制满足要求的高安全性高威力的水胶药柱；基于断裂力学、损伤力学和爆炸动力学原理，揭示爆破载荷作用下裂纹扩展后坚硬顶板断裂失稳破坏机理，优化超深孔柱状装药松动控制爆破参数，并于现场试用，为综采面采用超深孔柱状装药强制放顶的爆破参数设计和施工提供理论依据，应用前景广阔。

鉴于深部煤矿综采面坚硬顶板长距离垮落造成人员伤亡或压坏综采设备系统等重大安全事故的现象，提出了坚硬顶板内超长深孔柱状装药松动控制爆破技术。. 借助SHPB高温实验装置，在常温（20℃）~700℃下对砂岩进行0.3MPa、0.5MPa和0.7MPa三种冲击气压下的动态单轴压缩实验，分析了砂岩峰值应力随温度变化的规律，随温度的变化砂岩的峰值应力大致经历平缓-上升-下降三个过程。从试件的破碎情况图中也可看出，每种温度类别下，随着冲击气压的增大，砂岩的破碎程度也加大，由完整的短圆柱体破坏为块状或粉状；同时，进行动态劈裂拉伸实验，得出随着温度的上升，砂岩的峰值抗拉强度表现出由上升到下降的过程；随着冲击气压的增大，砂岩试件的应变率也在增大，在时间为50~300μs应变率形成一段较为平稳的平台；对砂岩岩样进行SEM和XRD实验，观察了试样的断口形貌，分析了岩样的组成成分，分析了砂岩成分随温度的变化情况，得到砂岩岩样在温度—应力共同作用下的裂纹扩展规律。. 通过理论分析、三维物理相似模型试验、数值模拟、现场试验的方法，对高地应力状态下超深孔柱状装药爆破破裂机理进行全面研究。在高初始应力状态下，实施超深孔柱状装药爆破过程中，炮孔周围介质较难破碎，介质表现出较强的塑性性质，爆破扩腔效果明显。采用不耦合装药形式时，炮孔孔壁与药柱之间存在空气间隙，不耦合系数越大，炮孔内空气间隙越大，该间隙能有效降低爆炸冲击波的峰值压力，改变爆炸应力波的加载速率，降低爆炸扩腔作用及裂纹条数，同时可有效增加爆炸应力波在岩体内的传播时间及爆生气体的准静态膨胀作用时间，扩大爆炸裂隙区范围，提高爆炸能量利用率。另外，初始应力对于爆生裂纹扩展具有一定的抑制作用。对比静水压力状态与非静水压力状态下爆破效果可知，在静水压力状态下，炮孔周围质点在炮孔径向、切向、轴向的应变波峰值基本相同，故爆炸后炮腔呈圆形，爆生裂纹在炮孔周围分布较均匀，裂纹长度较短；在非静水压力状态下，爆炸后炮腔为椭圆形，最大主应力对于爆生裂纹扩展具有导向作用，且随着侧压系数的增大，质点应变波峰值也逐渐增大，最大水平主应力对爆生裂纹的导向作用越明显。