【摘要】：煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,在處理瓦斯災(zāi)害、粉塵防治、沖擊地壓、兩硬煤層等安全技術(shù)問(wèn)題時(shí),常常需要對(duì)未開(kāi)采煤層采取預(yù)裂措施,以達(dá)到增加煤層透氣性、弱化煤巖強(qiáng)度、卸除地壓的目的。本文在總結(jié)分析前人使用的煤巖致裂理論的基礎(chǔ)上,以致裂煤巖為工程背景,提出一種新的煤巖致裂方法,即采用產(chǎn)氣預(yù)裂劑燃燒生成高壓氣體預(yù)裂爆轟致裂煤巖方法。本文通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)等研究方法,系統(tǒng)探討了基于高壓氣體預(yù)裂爆轟作用對(duì)煤巖致裂弱化的理論和技術(shù),具有重要的理論意義和廣泛的工程應(yīng)用前景。本文以脆性斷裂力學(xué)、滲流力學(xué)、燃燒學(xué)、爆炸力學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)高壓氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展機(jī)理、在鉆孔內(nèi)承壓條件下爆轟波作用于鉆孔圍巖的作用機(jī)理進(jìn)行了理論分析。本文所提的致裂煤巖方法分為兩個(gè)作用過(guò)程:一是由產(chǎn)氣預(yù)裂劑燃燒生成高壓氣體,由高壓氣體驅(qū)動(dòng)鉆孔圍巖初始裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展過(guò)程;二是隨鉆孔內(nèi)氣體壓力的不斷升高產(chǎn)氣預(yù)裂劑發(fā)生爆轟反應(yīng),由爆轟沖擊波作用于鉆孔周邊巖體的過(guò)程。首先從煤巖體的裂隙孔隙結(jié)構(gòu)入手分析了煤體的受力特征、煤層內(nèi)氣體滲流的特點(diǎn)以及鉆孔在煤層中的受力狀態(tài)。其次通過(guò)分析準(zhǔn)靜壓氣體作用下裂紋擴(kuò)展條件,求出鉆孔預(yù)存裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。最后,分析在鉆孔壓力達(dá)到預(yù)定壓力轉(zhuǎn)爆轟時(shí),且孔內(nèi)充滿高壓氣體的情況下,鉆孔周邊煤體受爆轟沖擊作用的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。通過(guò)燃燒成氣過(guò)程中氣體預(yù)裂和爆轟沖擊兩個(gè)過(guò)程,使煤層內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)相互貫通,并且裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)充滿高壓氣體,高壓氣體包圍破碎的煤塊持續(xù)向內(nèi)部滲透,使煤層能夠達(dá)到充分的破碎效果。以三軸壓力試驗(yàn)機(jī)為平臺(tái),模擬井下環(huán)境,進(jìn)行高壓氣體驅(qū)動(dòng)裂隙擴(kuò)展的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)整體包括加載系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、試驗(yàn)盒、設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。采用原煤試件和由相似材料制成的類完整巖石試件兩種材料進(jìn)行試驗(yàn)。采用應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)聲發(fā)射定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過(guò)壓力-時(shí)間曲線、聲發(fā)射特征和分形特征對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明在試件破裂時(shí)鉆孔內(nèi)壓力均大于試件的抗拉強(qiáng)度而小于試件的抗壓強(qiáng)度,表明裂隙擴(kuò)展時(shí)克服的是試件的抗拉強(qiáng)度。壓力曲線和聲發(fā)射分析表明試件在破裂過(guò)程中鉆孔內(nèi)氣體壓力呈明顯的分段特征,并且類完整巖石試件在破裂后鉆孔孔內(nèi)壓力迅速下降,而原煤試件在破裂后鉆孔孔內(nèi)壓力在下降過(guò)程中出現(xiàn)了一個(gè)壓力穩(wěn)定區(qū)間,原因是原煤內(nèi)部初始裂隙發(fā)育,主裂隙擴(kuò)展過(guò)程中溝通內(nèi)部小裂隙,使孔內(nèi)壓力在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定過(guò)程。應(yīng)用LS-DYNA數(shù)值分析軟件對(duì)高壓氣體預(yù)裂爆轟作用致裂煤巖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,對(duì)煤巖在高壓氣體預(yù)裂爆轟作用下的裂隙演化過(guò)程和應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律進(jìn)行分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明,煤巖在高壓氣體預(yù)裂作用下初始裂隙發(fā)生擴(kuò)展,在高壓氣體預(yù)裂基礎(chǔ)上發(fā)生爆轟時(shí),爆轟沖擊波沿預(yù)裂裂隙進(jìn)入煤巖內(nèi)部,在裂隙尖端位置生成了若干新裂隙。爆轟沖擊對(duì)鉆孔壁圍巖的破壞與通常的炸藥爆破相比明顯要小,粉碎作用明顯弱于普通的炸藥爆破,與理論分析結(jié)果基本一致。針對(duì)堅(jiān)硬頂煤的垮落困難問(wèn)題,使用本文所述的技術(shù)在千樹(shù)塔煤礦進(jìn)行了堅(jiān)硬頂煤弱化的工程實(shí)踐�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,本方法能夠保證頂煤及時(shí)垮落,能夠有效控制周期來(lái)壓時(shí)間,煤炭回收率可以提高15%。針對(duì)南屯煤礦9309工作面煤塵生成量高并且具有爆炸性傾向的問(wèn)題,采用高壓氣體預(yù)裂爆轟技術(shù)配合煤層注水,使工作面降塵率達(dá)到84.5%,有效解決了工作面的降塵問(wèn)題。
【圖文】：

續(xù)發(fā)展的要求日益提高，石油、天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源也逐步在能源結(jié)構(gòu)逡逑中占有一席之地，使煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的比重有所下降，但是其在我國(guó)能源消費(fèi)逡逑結(jié)構(gòu)中的主體能源地位依然不可動(dòng)搖，如圖１．１。國(guó)土資源部２０１８年《中國(guó)礦產(chǎn)逡逑資源報(bào)告》⑴指出：在２０１７年，煤炭資源查明儲(chǔ)量為１６６６６．７億噸，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占６０．４％，依然穩(wěn)居第一位；煤炭產(chǎn)量為逡逑３４．５億噸，連續(xù)多年居世界第一位。２０１６年１１月，《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（２０１６－２０２０）》逡逑（國(guó)函（２０１６）邋１７８）發(fā)布，總體目標(biāo)是到２０２０年，全國(guó)煤炭產(chǎn)量控制在３９億噸，逡逑大型煤炭基地生產(chǎn)能力達(dá)到全國(guó)的９５％以上Ｍ。逡逑７Ｒ邐０邐Ｂ邐０邐Ｒ邐Ｈ邐Ｈ邐Ｄ邐Ｌｊ邐［Ｊ逡逑—邋一邋一邋—逡逑—邐—邐—邐—逡逑６０％邋－邋ｊ邐｜｜邐ｊ邐Ｉ邐］邐Ｍ邐ｒｊ邐Ｈｊ逡逑４０％邋＿逡逑２０％邋－逡逑（）0邐ｉ邋．邐ｉ邐星邐Ｉ邐＞邐ｉ邐ｉｌｌ邋ｉ邋ｌ邋里邋ｉ邋丨邋ｌ邋ｉ逡逑２００８邐２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４邐２０１５邐２０１６邐２０１７年逡逑0煤炭邋Ｏｆｆ油邋■太然氣邋Ｄ水電．技電．風(fēng)電逡逑圖１．１邋一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化⑴逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑分析表明，能源安全是國(guó)家安全的重要組成部分，煤炭是我國(guó)主體能源和重逡逑要工業(yè)原料，保證煤炭生產(chǎn)的安全高效依然是煤礦工作的重中之重。近年來(lái)，隨逡逑著技術(shù)的進(jìn)步、管理水平的提高

續(xù)發(fā)展的要求日益提高，石油、天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源也逐步在能源結(jié)構(gòu)逡逑中占有一席之地，使煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的比重有所下降，但是其在我國(guó)能源消費(fèi)逡逑結(jié)構(gòu)中的主體能源地位依然不可動(dòng)搖，，如圖１．１。國(guó)土資源部２０１８年《中國(guó)礦產(chǎn)逡逑資源報(bào)告》⑴指出：在２０１７年，煤炭資源查明儲(chǔ)量為１６６６６．７億噸，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占６０．４％，依然穩(wěn)居第一位；煤炭產(chǎn)量為逡逑３４．５億噸，連續(xù)多年居世界第一位。２０１６年１１月，《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（２０１６－２０２０）》逡逑（國(guó)函（２０１６）邋１７８）發(fā)布，總體目標(biāo)是到２０２０年，全國(guó)煤炭產(chǎn)量控制在３９億噸，逡逑大型煤炭基地生產(chǎn)能力達(dá)到全國(guó)的９５％以上Ｍ。逡逑７Ｒ邐０邐Ｂ邐０邐Ｒ邐Ｈ邐Ｈ邐Ｄ邐Ｌｊ邐［Ｊ逡逑—邋一邋一邋—逡逑—邐—邐—邐—逡逑６０％邋－邋ｊ邐｜｜邐ｊ邐Ｉ邐］邐Ｍ邐ｒｊ邐Ｈｊ逡逑４０％邋＿逡逑２０％邋－逡逑（）0邐ｉ邋．邐ｉ邐星邐Ｉ邐＞邐ｉ邐ｉｌｌ邋ｉ邋ｌ邋里邋ｉ邋丨邋ｌ邋ｉ逡逑２００８邐２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４邐２０１５邐２０１６邐２０１７年逡逑0煤炭邋Ｏｆｆ油邋■太然氣邋Ｄ水電．技電．風(fēng)電逡逑圖１．１邋一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化⑴逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑分析表明，能源安全是國(guó)家安全的重要組成部分，煤炭是我國(guó)主體能源和重逡逑要工業(yè)原料，保證煤炭生產(chǎn)的安全高效依然是煤礦工作的重中之重。近年來(lái)，隨逡逑著技術(shù)的進(jìn)步、管理水平的提高
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD313

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本文編號(hào)：2595229