潘一东矿11-2煤深孔预裂爆破增透瓦斯抽采技术研究

摘要

在煤矿开采过程中，瓦斯一向是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。目前，矿井瓦斯抽采为防治煤与瓦斯突出最重要的举措。然而，不断增加的煤层开采深度，给瓦斯抽采工作带来了新的难题。开采深度的增加，致使煤层瓦斯含量和压力增大，煤层透气性急剧降低，瓦斯抽采效果严重受到影响。因此，实现煤矿安全高效生产的重要手段就是提高煤层的透气性。
　　本文通过理论探讨、数值模拟结合现场试验的方法，对低透气性高瓦斯煤层深孔预裂爆破卸压增透效应机理进行了研究。首先分析了煤体瓦斯赋存及其流动理论;其次探讨了深孔预裂爆破卸压增透的作用机理，得出了炸药爆炸后，在爆破孔周围煤体中产生了相互贯通的交叉裂隙网;且在裂隙扩展过程中，爆轰应力波、爆生气体起主要作用，控制孔提供了辅助自由面，煤体瓦斯压力进一步促进了煤体裂隙的扩展。研究表明深孔预裂爆破使得煤体裂隙增加，透气性增大，有效地预防和消除了煤与瓦斯突出的危险。同时，建立了煤层深孔预裂爆破卸压增透的数学模型，并利用ANSYS/LS-DYNA软件，模拟了不同时刻煤体的应力分布和裂隙扩展。两爆破孔距离6～7m，爆破后，可以产生大量的贯通裂隙，进而形成裂隙网，使煤体的透气性大大增加。最后，通过潘一东矿11-2煤1252(1)轨顺底板巷的现场工业试验研究表明:深孔预裂爆破卸压增透效果明显，有效卸压半径可达4m，瓦斯抽采量和抽采率有很大的提高，具有重要的社会价值和经济效益。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 煤与瓦斯突出防治的研究现状

1．3 国内外瓦斯抽采研究现状

1．4 深孔预裂爆破技术的研究现状

1．5 存在的问题

1．6 论文研究的主要内容

2 煤层瓦斯的赋存与流动理论

2．1 煤层中瓦斯的赋存状态

2．2 煤的吸附理论

2．2．1 煤的孔隙特征

2．2．2 煤体表面对瓦斯的吸附作用

2．2．3 煤的吸附性及其影响因素分析

2．3 含瓦斯煤体的物性参数

2．3．1 含瓦斯煤的力学特性

2．3．2 含瓦斯煤的渗透特性

2．3．3 含瓦斯煤的蠕变特性

2．4 煤层中瓦斯运移的基本规律

2．4．1 层流运动

2．4．2 扩散运动

2．4．3 瓦斯在煤层中的流动状态

2．4．4 瓦斯流动中的相似准数

2．4．5 瓦斯在煤层中扩散—渗透流动时的数学模型

2．5 本章小结

3 深孔预裂爆破强化增透作用机理研究

3．1 引言

3．2 深孔预裂爆破的作用

3．2．1 炸药爆轰能量的分析

3．2．2 爆炸应力波的作用

3．2．3 控制孔的作用原理

3．2．4 爆生气体的作用及贯通裂隙形成条件

3．2．5 煤层瓦斯压力对裂隙扩展作用

3．3 深孔预裂爆破裂隙区的形成过程

3．3．1 压碎圈的生成及范围

3．3．2 裂隙圈的形成及范围

3．4 深孔预裂爆破防突作用

3．5 本章小结

4 深孔预裂爆破增透效应数值模拟研究

4．1 ANSYS／LS-DYNA模拟软件介绍

4．2 理论基础

4．2．1 动力方程

4．2．2 质点运动方程

4．2．3 质量守恒方程

4．2．4 能量守恒方程

4．2．5 虚功方程

4．2．6 沙漏粘性控制

4．2．7 人工体积粘性控制

4．2．8 时间步长

4．2．9 材料模型

4．2．10 接触—碰撞界面条件

4．2．11 无反射边界

4．3 计算模型的建立

4．3．1 模型设计的原则

4．3．2 数值模型的建立

4．3．3 计算模型的力学参数

4．4 模拟结果与分析

4．4．1 模型Ⅰ(两个爆破孔间距为6m的模型)模拟计算结果

4．4．2 模型Ⅱ(两个爆破孔间距为7m的模型)模拟计算结果

4．4．3 模型Ⅲ(两个爆破孔和一个控制孔的模型)模拟计算结果

4．4．4 爆破后煤体裂隙发育情况分析

4．5 本章小结

5 深孔预裂爆破强化增透效应现场工业试验

5．1 试验区地质概况

5．1．1 潘一东矿区概况

5．1．2 试验区概况

5．1．3 试验工作面概况

5．2 1252(1)轨顺底板巷工作面深孔预裂爆破钻孔布置

5．3 钻孔抽采瓦斯

5．4 试验结果分析

5．5 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