预裂爆破坚硬顶板巷旁充填体稳定性分析研究

摘要

针对坚硬顶板高水充填沿空留巷，巷旁充填体作为巷帮变形严重、顶底板移近量大、防窜风能力差的工程难题，提出采用双向聚能拉伸爆破超前预裂顶板的手段来控制充填体作为巷帮的稳定性和完整性。结合现场实际，采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟实验、现场工业性试验多种研究手段，对双向聚能拉伸爆破超前预裂前后，充填体上覆岩层的压力载荷和位移分布规律进行了系统研究。具体研究内容如下：　　（1）通过构建顶板断裂力学模型以及关键块的力学模型，对充填体上覆层状顶板进行力学分析，找到坚硬顶板下高水充填沿空留巷，影响充填体稳定性的关键因素。对新安矿8号煤层上方顶板进行岩石力学性能参数的测试，得出理论计算、相似模拟、数值模拟所需的岩石力学参数。对充填体上方顶板做了定性分析，计算了巷旁支护阻力，利用计算结果，结合充填体力学性能、充填开采循环进度重新设定了综三工作面充填体的几何参数。　　（2）制作不同配比的标准试块，对试块进行了力学性能测试，得到满足相似模拟试验的相似材料配比。通过相似模拟试验与数值模拟实验相互补充、相互验证，得到了超前预裂顶板后充填体及采空区上方岩层，随煤层开挖引起的压力载荷变化和位移变化规律，验证了充填体的可靠性。利用数值模拟探究了充填体上方顶板岩性变化，对其上方岩层随煤层开采位移和压力变化过程的影响。为坚硬顶板下沿空留巷，充填体稳定性的控制提供可靠参考。　　（3）针对综三工作面现场需要，确定双向聚能拉伸爆破爆破参数，发明满足爆破目的、简化工人操作流程的爆破装置，提出爆破方案，并现场实施。现场监测，发现超前预裂顶板后，充填体顶底板移近量、变形量以及防窜风能力等评价指标有了巨幅提升。通过新旧技术成本对比，揭示双向聚能拉伸爆破超前预裂高水充填沿空留巷技术的经济社会效益显著。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状及问题

1.3 本文的研究内容和技术路线

2 沿空留巷顶板力学分析及巷旁支护参数的确定

2.1 巷旁支护体的作用

2.2 巷旁充填两种顶板断裂的力学模型对比

2.3 充填体与顶板相互作用机理

2.4 煤层顶板岩石力学性能参数的测定

2.5 新安矿沿空留巷巷旁充填参数的确定

2.6 本章小结

3 充填体上覆岩层运动规律相似模拟试验研究

3.1 沿空留巷上覆岩层移动的基本规律

3.2 相似模拟介绍

3.3 新安矿综三工作面相似模拟试验

3.4 实验数据处理与分析

3.5 本章小结

4 充填体上覆岩层运动规律数值模拟试验研究

4.1 csV4.3Multiphysi COMSOL软件简介

4.2 模型建立

4.3 模型求解结果分析

4.4 充填体上覆岩层与顶板岩性的关系

4.5 本章小结

5.综三工作面沿空留巷工业性试验

5.1 超前预裂爆破现场试验

5.2预裂充填效果分析

5.3 经济及社会效益分析

5.4 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

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