爆破模拟方案.doc

煤体爆破裂隙扩展的相似模拟试验研究方案1试验目的以及理论依据1.1试验研究内容根据爆破过程中煤体时变特性，开展三维相似模拟试验,通过对煤体的应力、 应变、裂隙的扩展等项冃的观测，得岀以下结果：1） 对煤体中爆炸丿应力波进行采集，计算应力波参数，分析煤体中爆炸应力 波的传播与衰减规律，并分析具作用原理；2） 含瓦斯煤体中爆生气体与瓦斯气体作用机理研究；3） 通过声发射的测试技术，分析煤体在应力波作用过程中煤体中的裂隙发 育情况；4） 结合试验结果分析深孔预裂爆破对煤层增透机理，深孔预裂爆破对煤层 增透效果进行考察1.2理论依据根据爆炸动力学和弹性动力学可知：爆炸时，由爆破孔传出的高压力冲击波 作用于孔壁，孔壁及周用的介质就会承受很大的动载荷，其强度耍高岀介质的极 限抗压强度很多倍，致使周围的介质产生过度粉碎，使药室夸大形成空腔，即产 生了圧缩粉碎圈在粉碎圈形成后，冲击波衰减成为应力波，并以弹性波的形式 向周閑传播，但此时强度已不足以圧坏介质，但应力波产生的伴生切向拉应力大 于介质的抗拉强度时，介质即被拉断，形成与破碎区贯通的径向裂隙，随着应力 波的继续传播，共强度也逐渐衰减；当应力波传播至自由而时，立即发生应力波 反射。

由于控制孔反射产生的拉应力以及强间断波正面后方的弱间断波照成的拉 应力共同作用，使得在沿爆破孔和控制孔中心连线方向上与爆破孔产生径向的裂 隙相贯通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 的产生的径向裂隙中，由于气体的尖裂作用，裂隙继续扩展随着裂隙的不断发 展，爆生气体膨胀，气体压力迅速降低，当压力降低到一定程度时，积聚在煤体 中的弹性能就释放出来了，形成卸载波，并向炮孔中心传播，使煤体产生环向裂 隙径向裂隙和环向裂隙相互交叉形成的区域叫做裂隙区当应力波接着向前传播时，已经衰减到不足以破坏煤体，而只能使煤体质点 产生振动，以地震波的形式向前传播，直至消失2模型的建立2.1试验原型淮南矿区是我国高瓦斯低透气性突岀矿井的典型代表，可区的矿区煤层赋存 为高瓦斯煤层群（9-18层可采煤层），根据层间距的大小自下而上分为A、B、C、 D、E五组主采煤层C13、Bll、B8、B4均为强突出煤层，本次试验以淮南 矿区11・2煤层为试验背景，其透气性较差，瓦斯含量较大2.2.1试验模型配比材料的选择1） 选择相似材料的依据：①模型与原型相应部分材料的主要物理、力学性能相似；②力学指标稳定， 不因温度、湿度等外界条件的影响而改变；③为便于模型选择，耍求改变材料配 比后，模型的力学指标有较大的变化幅度；④制作方便，凝固时间短，成本低。

2） 模拟材料的选择在媒体宏观、微观和物理力学性质调研基础上，初步选定煤体的模拟材料为 基木材料和添加材料基本材料控制煤体的结构强度，选定的基本材料为：水泥、 沙子和水；添加材料控制煤体的微裂隙、为空洞、结构面、和内部以吸收、吸附 和自由状态存在的气体，选定的添加材料为：石膏、碎煤、珍珠岩、发泡剂和云 母碎1） 石膏石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙（CaSO4）；通常 为白色、无色，无色透明晶体称为透石膏，有时因含杂质而成灰、浅黄、浅褐等 色；解理极完全，和中等，性脆，易形成薄片，低硬度硬度1.5-2,遇水后可以 迅速凝结硬化2） 珍珠岩粉珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃 质岩石，因其具有珍珠裂隙结构而得名珍珠岩表观密度轻、导热系数低、化学 稳定性好、使用温度范围广、吸湿能力小，且无毒、无味3） 云母碎云母属于铝硅酸盐矿物，具有连续层状硅氧四面体构造；云母 多为单斜晶系，呈叠板状或书册状晶形，发育完整的为具有六个晶体而的菱形或 六边形，有时形成假六方柱状晶体；热膨胀系数小，抗酸、抗碱性、抗压和剥分 性好，碎云母是云母在采、选、加工过程中产生的云母碎块和云母碎片，厚度从 儿毫米到儿十厘米，硬度2~3,松散密度300-500^/m5,云母碎加入到煤体模拟 材料形成煤体内部的节理和裂隙。

4）发泡剂（Foaming agent）发泡剂是使对象物质成孔的物质，化学发泡 剂加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在介质内部形成细孔化学发 泡剂乂有无机发泡剂和有机发泡剂Z分碳酸氢钠碳酸氧钠是一种无机发泡剂, 白色粉末，比重2.16分解温度约为100-140C,并放出部分CO2,到270C时 失去全部CO2,溶于水而不溶于醇在模拟材料中加入发泡剂可以在试块内产生 CQ气体，模拟煤体内部的瓦斯气体3）模拟材料配比的选择试验以基木材料控制煤体强度，以添加材料控制煤体控制煤体的微裂隙、为 空洞、结构面、和内部以吸收、吸附和口由状态存在的气体试验分两次进行， 第一次试验依据理论分析和调研结果配置试模拟块进行物理力学性能参数测试； 第二次试验在第一次试验基础上，对比试块实测参数和煤体物理力学性能参数， 然后对第一次试块材料和配比进行调整，最终确定煤体模拟材料和配比对模拟试块的5个物理力学性能参数进行测量，即：单轴抗压强度、纵波速 度、视密度、孔隙率和弹性模量5个物理力学性能参数，分别分析模拟试块的强 度和变形特征；再结合淮南地区煤体的物理力学性能参数，最终确定模拟材料、 配比及其力学性能参数如下；试验模型相似材料配比表水泥石膏水河砂珍珠岩云母碎发泡剂1.320.20.64.50.030.060.046试验模型的力学性能参数如下表：弹性模最波速实测强度孔隙率密度GMPa(in / s)(MPa)(%)(g-cni3)5」5179820.82.71.653试验材料及设备试验的主耍材料：“坚固牌”硅酸盐水泥（标号32.5）、细河砂、石膏、润 滑油、砂布、丙酮、环氧树脂胶、502胶、应变花(BX120-3CA)、W、六芯屏 蔽电缆线、焊锡、松香、①9mm的塑料管(①16mm)、绝缘胶布、黄油等。

试验的主要设备：桌秤、电子天平、焊笔、万能电用表、振动棒、钢尺、水 准尺、DAP专用数据处理软件、SDY2107A超动态应变仪、电脑一台、石子筛 一套、量筒、量杯、两对钢板等试验选用炸药为单质黑索金，为尽量保证炸药与煤体介质的能量匹配、以及 尽量保证试验炸药与实践工程中煤体爆破用炸药性能相似，提高试验研究结果的 工程实践价值，本次采用10%颗粒状石蜡钝化的黑索金单质炸药需要用雷管引 爆，湿润黄土填塞以保证良好的堵塞效果木箱和钢板制作一定的尺寸的木箱，在试验时将木箱罩在试块上，防止爆 炸时碎屑损伤人员和试验器材；制作一定尺寸的钢板，爆破时钢板和试块Z间的 空隙用西沙充填并施加圧力，避免周边效应影响爆破效果，确定采集数抑的真是 可靠如下图所示：煤体的爆破损伤机理是爆炸应力波、爆生气体和瓦斯压力共同作用，为了验 证理论分析的合理性和正确性，设计煤体爆破作用模拟方案，对煤体中爆炸应力 波、爆破损伤规律、爆生气体和瓦斯气体的作用进行试验研究，并对爆破效果进 行综合研分析，从试验研究角度，进一步研究煤体爆破作用机理4.1模型试件相似条件分析为使模拟范閑较大，模型制作工作量相对较小，儿何相似比应尽量增大；但 儿何相似比过大，则模型的爆破孔相对较小，装药不能稳定爆轰。

综合考虑现场 现场爆破孔尺寸和模型尺寸，为最大限度模拟现场实际情况，确定本试验模型儿何相似比为20,即模型比例尺寸为1:20,则模型中的总体尺寸和空间距均能满足要求4.2试验材料和爆破器材4.21试块材料及制作模拟爆破试验试块材料为：水泥、沙子和水（基本材料），以及石膏、珍珠岩、发泡剂和云碎母（添加材料），其配比如下表试验模型相似材料配比表水泥石讶水河砂珍珠岩云母碎发泡剂1.320.20.64.50.030.060.046试验试块尺寸为4（）0mmX400mmX400mm,根据选定的模拟试块配比，人工搅拌，在模版中捣固成型，为确保捣固的均匀性，在模板中配以小型的振动棒振动，人T.养护28天在试块中心预留直径9mm （16mm）的爆破孔，预留装药孔深为200mm Q4.22应变砖的制作应变砖的尺寸为2cmX2cmX2cm,其材料及配比与被测试块的材料和配比相 同，制作后在养护室养护7天使用，应变片采用浙江黃岩测试仪器厂生产的型号BX120-3CA的应变花，在粘结皿变片Z前砂轮或者细纱布对应变片表面进行打 磨，并用内酮对打磨面清洗，然后在粘结面表面涂一层厚度为0.5mm的环氧AB 胶作为内防潮层，环氧胶凝同6个小时后，用AB环氧胶胶把应变片粘结在防潮 层上。

粘结应力片时首先要把应变片放萱在粘结部位，用塑料薄膜覆盖后用拇指轻轻辗压，挤出多余的胶水和气泡同时按同样方法把端子粘结在防潮层上，环 氧胶凝固后，用小功率电烙铁将应变片的脚线和引线焊接在应变片的端子上，24 小时候用环氧胶对应变片的脚线和引线的裸露部分进行封闭绝缘，再过24小时候应变砖即可使用埋设应变砖时为确保其与试块充分耦合，首先对应变砖进行加湿处理（把应变砖放入适当稀習的搅拌好的材料中10分钟）;具次，把应变砖放入预设位置后,要对应变砖四周进行仔细均匀的进行插倒，确保应变砖与试块进行充分的耦合4.23应变砖的埋设位置及爆破孔和控制孔的相对位置在药包中心高度水平而沿对角线布置四个应变砖进行爆炸应力波测试，丿役砖距离药包中心的距离为50mm, 80mm, 130mm, 200mm,如图-1所示/1 111 11z T 11zz 1 9 II0 /// 一 LJZ 01 O〜一 一一一 一一 一一 一一-/ZZ♦1)-/Z/ZZ/7400mmEuu 寸图-1应力砖布逍示意图5模拟试验测试结果6模拟试验测试结果分析。