摘要
地下矿井在开采过程中常有坚硬岩层顶板不能随采随落，形成大面积悬空，威胁矿山生产安全，而断顶爆破技术可作为一种高效、便捷的手段处理此类问题。目前，主要通过爆破粉碎区、裂隙区的大小等指标量化断顶爆破的效果，而这些指标又受炸药装药位置、装药结构、装药量及地应力等多种因素的影响，因此研究爆破粉碎区与裂隙区的范围对爆破参数及工艺的优化具有重要意义。本文通过理论分析和数值模拟对爆破粉碎区、裂隙区扩展范围进行了研究，以研究结果为参考设计了现场试验，并优化了现场断顶爆破参数。 基于爆炸波的几何衰减与物理衰减，将冲击波作用边界上的压力由孔壁初始压力修正为应力波初始压力。指出粉碎区是压缩破坏造成的，应包含冲击波作用区与部分应力波作用区两部分；裂隙区是拉伸破坏造成的，包括应力波致裂过程与爆生气体的二次扩裂过程。应用Griffith破坏准则与Von-Mises屈服准则推导了粉碎区和裂隙区半径计算公式。 根据现场相关岩层参数，运用LS-DYNA数值模拟软件建立数值模型，对地应力作用下不同直径药卷爆破的岩体破坏范围和爆炸应力波在岩层节理面的传播进行了研究，结果表明：（1）爆破裂隙扩展的总长度受地应力的大小和方向所影响。（2）应力波传播过程中，其加载速度减小会使岩体自身强度增加。（3）应力波在节理面的入射角小于76.5°时，应力波发生规则反射，入射角在40°~76.5°范围内，应力波发生不规则反射。 对新河煤矿6302工作面顶板爆破参数与施工工艺进行了优化，爆破参数优化包括运用关键层理论判别顶板关键层岩层位置，断顶孔孔深、炸药装药位置、相邻孔间距、不耦合系数与装药量优化；施工工艺优化包括钻孔工艺与封孔工艺，优化后钻进速度从50m/班提升到80m/班，封孔时间后的起爆等待时间从24h缩减到40min。通过区域微震与局部应力计监测了现场试验的爆破效果，针对缺乏直观的爆破裂隙观测手段，提出了一种爆破裂隙的剖视技术，阐述了该技术的原理与技术要点。
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