深部环境下坚硬顶板预裂爆破弱化机理研究

摘要

在实际的开采过程中，许多煤矿工作面顶板为坚硬的灰岩、砂岩或其他硬度更大的岩层。坚硬顶板条件下煤矿开采存在顶板大面积悬露、诱发冲击可能性增加等一系列问题，对于坚硬顶板采场一般需要采取强制放顶措施来控制顶板的垮落。预裂爆破强制放顶技术由于对煤层地质的适应性强，对缓解大面积来压效果显著，而被广泛运用。由于开采深度的增加，深部岩体将具有很高的地应力，从而使得深部岩体爆破损伤弱化机理与浅部不同。
　　本文通过理论分析和数值仿真手段对深部环境下坚硬顶板预裂爆破弱化机理进行了相关研究。主要完成的研究工作如下：
　　（1）归纳总结了坚硬顶板所具有的物理特性和破断特性。根据坚硬顶板采场特点，通过对坚硬顶板破断理论的简单推导，分析了坚硬顶板初次来压步距和周期来压步距的估算方法及相关破断位置。
　　（2）综合各种理论探讨了岩体爆破破碎损伤机理。通过对爆破应力波的衰减特点及传播特点进行分析，得到了岩体先发生拉压变形，再发生剪切变形的破坏特征以及通低频阻高频的应力波传播特性。
　　（3）运用ANSYS/LS-DYNA显式动力学有限元软件对岩体在单孔爆破荷载作用下的动力响应机理及裂隙发育规律做了数值仿真试验，并研究了弹性模量、岩层埋深的变化对岩体裂隙发育规律的影响，同时研究了双孔爆破岩体动力响应规律以及起爆延时对岩体爆破动力破碎效果的影响。分析表明：随着埋深的增加，爆破后产生的裂隙区半径减小，岩体的破碎损伤程度增大；随着弹性模量的增加，爆破后产生的裂隙区半径增大，岩体的破碎损伤程度增大；随着起爆延时的增加，爆破应力波的叠加作用减弱，爆破孔间形成的贯通裂隙区减小，岩体的破碎损伤程度降低。
　　（4）以纳林河二矿3-1煤层首采工作面为工程背景，运用UDEC软件对坚硬顶板预裂爆破强制放顶过程进行了数值仿真分析。结果表明：采取预裂爆破强制放顶措施后，采场顶板初次来压垮落步距降幅接近50％，周期来压垮落步距降幅在25%到50%之间，顶板超前集中应力峰值减小5.1MPa；随着预裂高度的增加，采场初次来压步距逐渐减小，煤壁处压力及岩层超前支撑压力峰值逐渐降低，采场顶板的初次来压将经历两次释放的过程。在一定预裂高度范围内，采场顶板弱化效果明显，可以达到人为控制采场顶板破断垮落步距目的。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

变量注释表

1 绪论

1.1研究目的及意义(Research Background and Significance)

1.2国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.3研究内容(Research Contents)

1.4研究方法及技术路线(Research Methods and Technique Route)

2坚硬顶板破断机理分析

2.1坚硬顶板分类(Hard Roof Classification)

2.2坚硬顶板破断理论分析(Hard Roof Breakage Theory Analysis)

2.3坚硬顶板破断特性(Hard Roof Breakage Features)

2.4本章小结(Chapter Summary)

3岩体爆破弱化理论基础

3.1岩体爆破理论(Rock Blasting Theory)

3.2岩体爆破应力波传播特点(Spreading Characteristics of Rock Blasting Stress Wave)

3.3岩体爆破卸压范围确定(Scope of Rock Blasting Pressure Relief)

3.4本章小结(Chapter Summary)

4 岩体爆破响应机理数值仿真分析

4.1岩体单孔爆破响应机理分析(Mechanism Analysis of Single Hole Blasting of Rock Response)

4.2 弹性模量对岩体爆破响应影响分析(Impact Analysis of Elastic Modulus on Response of Rock Blasting)

4.3不同开采深度对岩体爆破响应影响分析(The Influence of Different Mining Depth on the Rock Blasting Effect)

4.4 岩体双孔爆破响应机理分析(Double Hole Blasting Numerical Calculation and Analysis)

4.5 本章小结(Chapter Summary)

5坚硬顶板预裂爆破强制放顶数值分析

5.1 工程地质背景(The Engineering Geologic Background)

5.2 数值模拟方案设计(The Numerical Simulation Program Design)

5.3 预裂爆破强制放顶破断特性分析(Forced Caving Fracture Characteristic Analysis Pre-splitting Blasting)

5.4 预裂高度对顶板破断特性影响分析(Forced Caving Fracture Characteristic Analysis under Different Pre-splitting Height )

5.5 本章小结(Chapter Summary)

6 结论

参考文献

作者简历

学位论文数据集