高地应力巷道卸压爆破机理及参数研究

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从卸压爆破的历史出发,总结了卸压爆破的发展过程、现状及存在的问题。确定了研究的基本内容是卸压爆破动力学理论,介绍了卸压爆破的主要类型,岩体中的冲击波和应力波的传播规律,包括波的叠加、反射和透射作用。介绍了爆炸动静载荷在岩石内部的作用和岩石破坏的力学机理,探索了卸压爆破应力波的传播规律和卸压过程,并介绍了单孔卸压爆破影响范围的计算过程。介绍了巷道深孔卸压爆破的设计原则及参数的影响因素,根据利文斯顿能量平衡原理,得到卸压爆破的临界深度,在考虑一定承载圈的前提下计算了合理孔深。计算了合理爆破炸药单耗范围。按照利文斯顿爆破能量理论,深孔无控制空孔卸压爆破使相邻炮孔间的爆生裂隙贯通为最佳,合理炮孔间距a和排距b在尺寸上等于破裂区的直径。从断裂力学的角度,考虑到岩石的普氏系数,也可得到炮孔间距。在应力波理论和弹性力学理论的基础上讨论了深孔控制卸压爆破空孔的作用及炮孔间距。针对不同的巷道围岩选择不同的装药方式,采用正向起爆。讨论了耦合与不耦合装药下堵塞的长度。利用ANSYS和DYNA软件模拟并计算了高地压巷道在卸压爆破前后的静力场中的应力状态,讨论了巷道在10 MPa单向荷载与三轴荷载状态下的巷道的应力状况,在单向加载状态下的应力集中区的应力一般大于三轴加载状态下相同区域的应力,由于在三轴加载状态下,巷道容易释放了弹性能,故容易发生变形,所以在此情况下,不适于进行卸压爆破。研究还模拟了巷道围岩在卸压爆破荷载作用下的应力状态和卸压爆破产生空腔的大小,讨论了巷道围岩在爆破过程中的应力状态,得出卸压爆破过程中巷道围岩没有发生破坏。为了研究卸压爆破后巷道的应力状态,近似的将爆破空腔看成是规则圆柱体,并建立巷道围岩模型,进行静力加载,计算后的结果显示,相对于卸压前,巷道附近的应力集中区基本消失,并转移到了爆破空腔附近,应力值降低了20%。模拟了两帮卸压爆破后裂隙带贯通时的应力状态,假设裂隙贯通后形成矩形条带空腔,模拟计算后,可以看到巷道底板的应力进一步降低,从原来的20 MPa降低到12 MPa,但是巷道两帮上部,出现了新的应力集中。巷道顶板和两帮都形成了卸压爆破裂隙区,这是很理想的状态,在这种状态下,巷道内没有明显的应力集中,应力得到最大限度的卸载。
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