深孔爆破预裂顶板及其对综放面初采期矿压与瓦斯影响规律的研究

摘要

我国煤炭资源储量丰富，坚硬顶板煤层较多。厚硬顶板的存在严重威胁采煤工作面的安全生产，特别是在初采期间，顶板完整性较好，在短期内不会自行垮落，使得初次来压步距加大。一旦顶板大面积垮落，采空区瓦斯瞬间涌出，极易造成顶板和瓦斯事故，轻则设备损坏，重则人员伤亡。因此，使坚硬顶板提前垮落，从而避免顶板事故及瓦斯事故的发生得到了人们的高度重视。
　　本文研究了采用深孔爆破技术对坚硬顶板进行预裂使其提前垮落的理论与技术，对深孔爆破岩石破碎基础理论进行了探讨，利用ANSYS/LS-DYNA和UDEC软件分别对岩石爆破裂隙扩展和顶板初次断裂步距进行了模拟分析，并以大阳煤矿3404综放工作面为工程背景，设计和实施了爆破方案，并对深孔爆破预裂顶板改善综放面初采期顶板初次来压和瓦斯治理效果进行了实测分析。得出了以下主要结论：
　　（1）确定了岩石爆破的相关参数。通过理论计算，得出岩石爆破形成的破碎区半径为38.5cm，裂隙区半径为195cm。利用ANSYS/LS-DYNA3D软件对岩石爆破后的裂隙扩展进行了数值模拟，得出岩石爆破形成粉碎区半径为39.5cm，裂隙区半径约为185cm。数值模拟结果同理论计算结果基本一致。
　　（2）深孔爆破使顶板由固支梁结构变为悬臂梁结构，使顶板初次垮落步距减小。利用UDEC数值软件，对顶板在预裂条件下和非预裂条件下的初次垮落步距进行了模拟，结果表明：预裂爆破使顶煤的初次垮落步距减小了6.0m，直接顶初次垮落步距减小了9.6m，老顶初次来压步距减小了12.0m。
　　（3）同一钻孔爆破前后进行窥视，爆破前钻孔壁比较完整，爆破后钻孔壁出现了较多的裂缝，证明爆破对顶板岩石起到了有效的预裂作用。
　　（4）现场实测表明，与未进行预裂措施的3303工作面相比，3404综放面顶煤初次垮落步距和老顶初次来压步距分别提前了8m和11m；初次来压期间支架动载系数最小1.03、最大1.26，平均1.10。说明采取顶板预裂后，顶板初次来压期间，采场支护是安全的。
　　（5）深孔预裂爆破能有效预防工作面初采期间瓦斯超限问题。初采前对顶板进行爆破预裂，使顶煤煤岩体内原生裂隙扩张，并产生新的裂隙，破坏了顶板的完整性，明显减小了顶煤的初次垮落和老顶的初次来压步距，减小了采空区的悬顶面积，使顶层辅助回风巷提前发挥作用，有利于工作面通风管理，降低了工作面和上隅角瓦斯浓度，确保了初采期间工作面的安全生产。
　　（6）对高位钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量的变化进行了实测分析，结果表明：高位钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量的变化与顶板活动规律一致，说明预裂顶板使顶板岩层产生裂缝，并且老顶岩层提前断裂来压，导致大量瓦斯被高位钻孔抽出是初采期间工作面和上隅角瓦斯浓度降低的原因之一。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容和方法

第二章 深孔爆破岩石破碎理论及裂隙扩展数值模拟

2.1 深孔爆破概述

2.2 深孔爆破岩石破碎理论

2.3 岩石爆破破坏范围计算

2.4 岩石爆破裂隙扩展数值模拟

2.5 小结

第三章 深孔爆破改善坚硬顶板初次断裂来压的效果研究

3.1 坚硬顶板力学模型及其分析

3.2 预裂对顶板初次断裂步距影响的数值模拟

3.3 深孔爆破预裂顶板效果的现场实测

3.4 小结

第四章 深孔爆破预裂顶板改善综放面初采期瓦斯治理效果研究

4.1 预裂顶板治理工作面初采期瓦斯的机理分析

4.2 工作面瓦斯监测系统及高位抽采瓦斯钻孔布置

4.3 预裂改善瓦斯治理效果分析

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文