顾南矿揭C13-1煤层深孔预裂爆破卸压增透技术研究

摘要

本文针对顾南矿C13-1煤层透气性差、瓦斯难以抽采等问题开展深孔预裂爆破增透技术的研究，并从理论分析、相似模拟试验和数值模拟三个方面入手，确定适合其工作面的钻孔布置及爆破参数的最优方案。并根据淮南矿业顾南煤矿揭C13-1煤层实测数据，对深孔预裂爆破卸压增透技术在低透气性高瓦斯突出煤层中的适用性进行了系统研究。
　　首先，本文在总结国内外研究现状的基础上，理论分析了深孔预裂爆破卸压增透机理，并分别分析了爆炸冲击波与应力波、控制孔、爆生气体和瓦斯压力在煤体爆破裂纹扩展过程中不同阶段的作用。结论表明:冲击波是形成粉碎区的主要原因，应力波的作用时间和作用范围较大，是煤岩破坏的主要区域;应力波在控制孔处反射形成的拉伸波可增加裂隙区的范围;爆生气体与煤层压力在裂隙尖端产生的应力集中可进一步促进裂纹的扩展;得出粉碎区和裂隙区半径的理论计算公式。
　　其次，依据相似理论、断裂力学及顾南矿地质数据等设计相似模拟试验方案，确定了煤岩体模拟材料及配比。试验结果表明:应力波的波形由压缩相和拉伸相共同组成，且压缩相和拉伸相的波峰随着传播距离的增大而逐渐减小;深孔预裂爆破的有效松动半径为3～4.5m。
　　最后，结合淮南矿业顾南矿C13-1煤层现场情况建立不同孔间距数值计算模型，将数值模型嵌入LS-DYNA软件中进行计算。数值模拟结果表明:控制孔提供了辅助自由面，可进一步促进煤体裂纹的扩展;当孔间距为3～4.5m时，可形成贯通裂纹，提高煤层透气性与瓦斯抽采效果。
　　根据淮南矿业顾桥煤矿揭C13-1煤层深孔预裂爆破的实测数据，确定深孔预裂爆破有效松动半径可到达4.5m，与理论分析、相似模拟试验和数值模拟结果的相一致。在有效松动半径内瓦斯抽采浓度可提高0.267～1.08倍，瓦斯抽采纯量提高0.25～1.23倍。表明深孔预裂爆破为低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采提供了一种可靠的方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 瓦斯抽采研究现状

1．2．1 国外瓦斯抽采现状

1．2．2 国内瓦斯抽采现状

1．3 深孔预裂爆破国内外研究现状

1．4 论文的研究方法和主要研究内容

2 深孔预裂爆破强化增透机理研究

2．1 深孔预裂爆破技术特点

2．2 深孔预裂爆破作用分析

2．2．1 爆炸应力波作用机理分析

2．2．2 控制孔作用机理分析

2．2．3 爆生气体作用机理分析

2．2．4 煤层瓦斯压力作用机理分析

2．3 深孔预裂爆破有效增透范围理论研究

2．3．1 压碎区的形成及范围

2．3．2 裂隙圈的形成与范围

2．4 深 孔预裂爆破防突作用分析

2．5 本章小节

3 深孔预裂爆破相似模拟试验

3．1 相似模拟试验目的和理论依据

3．1．1 试验目的

3．1．2 实验理论依据

3．2 相似原理与准则

3．2．1 相似理论原理

3．2．2 试验的相似准则和荷载计算

3．3 相似模拟材料配比试验

3．3．1 模拟材料的选择

3．3．2 相似材料配比

3．3．3 材料配比试验结果

3．4 相似模拟试验的设计

3．4．1 应变砖的制作

3．4．2 试验设计

3．4．3 试验装药

3．4．4 模型试块的制作

3．5 试验结果与分析

3．5．1 试验测试系统

3．5．2 试验结果与分析

3．6 本章小结

4 深孔预裂爆破数值模拟分析研究

4．1 LS-DYNA软件简介

4．2 理论基础

4．3 数值模型的建立

4．3．1 数值模型建立的原则

4．3．2 数值模型的建立

4．3．3 材料参数设定

4．4 数值模拟结果分析

4．4．1 单个爆破孔应力云图与裂隙图分析

4．4．2 孔间距为3m爆破云图与裂隙图分析

4．4．3 孔间距为4．5m爆破云图与裂隙图分析

4．5 本章小结

5 深孔预裂爆破现场增透试验研究

5．1 工程地质概况

5．1．1 煤层瓦斯赋存及地质情况

5．1．2 瓦斯压力的测定

5．2 深孔预裂爆破增透试验方案

5．2．1 布孔方式

5．2．2 爆破施工过程

5．2．3 安全设施

5．2．4 避灾路线

5．3 深孔预裂爆破卸压增透现场效果分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 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