底板穿层钻孔预裂爆破煤层增透模拟试验研究

摘要

煤炭对于我国国民经济的健康发展具有十分重要的作用，但同时矿井瓦斯灾害也是中国煤矿安全的主要隐患。为了有效的防治瓦斯灾害，针对预裂爆破增透技术，本文提出了底板穿层钻孔预裂爆破煤层增透相似模拟试验的研究课题。穿层钻孔预裂爆破相对于顺层钻孔预裂爆破更安全，更具有应用前景，需要对其作进一步的研究，特别是爆破对煤层顶底板的影响更需作进一步的研究，对防治瓦斯灾害、保障矿井安全高效生产具有十分重要的现实意义。
　　本文首先在爆炸力学、岩体力学、断裂损伤力学等多门学科理论分析的基础上，分析了本试验研究所涉及到的国内外研究现状，并通过对深孔预裂爆破增透机理研究现状的归纳总结，详细分析了炸药在爆破孔内被引爆后，爆轰波、爆生气体、煤层赋存瓦斯以及控制孔等在煤层预裂爆破增透中的作用和机理。其次，分析总结了相似模拟理论。本试验为相似模拟试验，为了确保相似模拟试验的结果对工程实践具有实际的指导意义，试验的相似模拟模型与工程实践原型之间必须满足相似理论的基本原理。最后，依据淮南矿区C13-1煤层及其顶底板岩层的实际条件，根据相似理论的基本原理，采用几何比为30∶1在实验室构建了相似模拟的试验系统。完成了相似模拟试验材料的配比试验并进行了穿层钻孔预裂爆破的相似模拟试验，得出了适合本试验的相似材料的配比，及不同爆破情况下的爆破煤层裂隙的扩展情况以及爆破作用对煤层顶底板岩层的影响。基于超动态应变仪以及静态应变仪测得爆破前后煤岩层相关参数的变化，定性分析了爆破前后煤岩层应力的变化规律，综合分析了底板穿层钻孔爆破对煤层增透效果的影响。本文主要是通过对深孔预裂爆破增透机理以及相似理论的分析，采用相似模拟试验研究穿层爆破对增透及爆破煤层顶底板的影响，为工程实践中深孔预裂爆破的参数设计提供试验依据，也为穿层钻孔深孔预裂爆破理论的分析研究提供了试验验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 瓦斯抽采研究现状

1．3 穿层钻孔深孔预裂爆破研究现状

1．4 爆破相似模拟试验研究现状

1．5 穿层钻孔深孔预裂爆破目前具有的主要问题

1．6 本文研究的主要内容和方法

1．7 本文主要技术路线

2 深孔预裂爆破增透机理研究

2．1 炸药爆轰波

2．2 爆破能量分析

2．3 爆破应力波作用

2．4 控制孔作用机理

2．5 爆生气体作用机理

2．6 煤层瓦斯压力对裂隙扩展作用

2．7 深孔预裂爆破作用过程

2．7．1 压缩圈的生成及范围

2．7．2 裂隙圈的形成及范围

2．8 本章小结

3 相似理论

3．1 相似理论的基本概念

3．2 相似模拟试验基本原理

3．2．1 相似第一定理(相似定理)

3．2．2 相似第二定理(∏定理)

3．2．3 相似第三定理(相似存在定理)

3．3 岩石力学平面问题相似条件

3．4 本章小结

4 相似模拟材料配比试验

4．1 煤体的工程性质

4．1．1 煤体的物理性质

4．1．2 煤体的结构特性

4．1．3 煤体的力学特性

4．1．4 煤体的波速

4．1．5 煤体变形机制

4．1．6 瓦斯吸附平衡特性

4．2 煤体工程分类

4．2．1 分类因素

4．2．2 分类标准

4．2．3 工程分类

4．3 模拟材料选择及配比试验

4．3．1 模型相似比

4．3．2 试验方案

4．3．3 对相似材料的基本要求

4．3．4 相似材料的分类

4．3．5 试验仪器设备

4．3．6 模拟材料配比试验

4．3．7 参数测试

4．3．8 试验结果与分析

4．4 小结

5 相似模拟试验

5．1 相似模拟试验目的

5．2 试验煤岩层地质条件

5．3 深孔预裂爆破相似模拟试验系统构建

5．3．1 试验装置箱体的设计

5．3．2 试验加载系统

5．3．3 试验装置监控系统

5．3．4 试验测点的布置

5．4 主要爆破参数

5．4．1 炮孔装药量

5．4．2 炮眼深度

5．4．3 最小抵抗线

5．4．4 炮眼密集系数

5．4．5 炮眼间距

5．4．6 装药结构及炮孔直径

5．4．7 炮孔封堵

5．5 相似模拟试验的过程

5．5．1 应变砖的制作

5．5．2 相似材料的填充及监测系统的布置

5．5．3 炸药的装填

5．6 相似模拟试验的结果与分析

5．6．1 单爆破孔爆破效果分析

5．6．2 爆破孔控孔同时存在时爆破效果分析

5．6．3 两爆破孔爆破效果分析

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果