【摘要】：煤礦生產(chǎn)過程中,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)問題時,常常需要對未開采煤層采取預(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。本文通過理論分析、試驗研究、數(shù)值模擬和工程試驗等研究方法,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)對高壓氣體驅(qū)動裂紋擴展機理、在鉆孔內(nèi)承壓條件下爆轟波作用于鉆孔圍巖的作用機理進行了理論分析。本文所提的致裂煤巖方法分為兩個作用過程: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)動鉆孔圍巖初始裂紋擴展擴展過程;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)氣體滲流的特點以及鉆孔在煤層中的受力狀態(tài)。其次通過分析準(zhǔn)靜壓氣體作用下裂紋擴展條件,求出鉆孔預(yù)存裂縫尖端應(yīng)力強度因子。最后,分析在鉆孔壓力達(dá)到預(yù)定壓力轉(zhuǎn)爆轟時,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展規(guī)律。通過燃燒成氣過程中氣體預(yù)裂和爆轟沖擊兩個過程,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。以三軸壓力試驗機為平臺,模擬井下環(huán)境,進行高壓氣體驅(qū)動裂隙擴展的模擬試驗。試驗系統(tǒng)整體包括加載系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、試驗盒、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行試驗。采用應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實時聲發(fā)射定位系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集,通過壓力-時間曲線、聲發(fā)射特征和分形特征對試驗結(jié)果進行了分析。試驗結(jié)果表明在試件破裂時鉆孔內(nèi)壓力均大于試件的抗拉強度而小于試件的抗壓強度,表明裂隙擴展時克服的是試件的抗拉強度。壓力曲線和聲發(fā)射分析表明試件在破裂過程中鉆孔內(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)壓力在下降過程中出現(xiàn)了一個壓力穩(wěn)定區(qū)間,原因是原煤內(nèi)部初始裂隙發(fā)育,主裂隙擴展過程中溝通內(nèi)部小裂隙,使孔內(nèi)壓力在一段時間內(nèi)達(dá)到一個穩(wěn)定過程。應(yīng)用LS-DYNA數(shù)值分析軟件對高壓氣體預(yù)裂爆轟作用致裂煤巖過程進行了數(shù)值模擬研究,對煤巖在高壓氣體預(yù)裂爆轟作用下的裂隙演化過程和應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律進行分析。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)生擴展,在高壓氣體預(yù)裂基礎(chǔ)上發(fā)生爆轟時,爆轟沖擊波沿預(yù)裂裂隙進入煤巖內(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。針對堅硬頂煤的垮落困難問題,使用本文所述的技術(shù)在千樹塔煤礦進行了堅硬頂煤弱化的工程實踐�，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明,本方法能夠保證頂煤及時垮落,能夠有效控制周期來壓時間,煤炭回收率可以提高15%。針對南屯煤礦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題。
【圖文】：

續(xù)發(fā)展的要求日益提高，石油、天然氣、太陽能、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，但是其在我國能源消費逡逑結(jié)構(gòu)中的主體能源地位依然不可動搖，如圖１．１。國土資源部２０１８年《中國礦產(chǎn)逡逑資源報告》⑴指出：在２０１７年，煤炭資源查明儲量為１６６６６．７億噸，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全國能源消費結(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，《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（２０１６－２０２０）》逡逑（國函（２０１６）邋１７８）發(fā)布，總體目標(biāo)是到２０２０年，全國煤炭產(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，能源安全是國家安全的重要組成部分，煤炭是我國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，隨逡逑著技術(shù)的進步、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，但是其在我國能源消費逡逑結(jié)構(gòu)中的主體能源地位依然不可動搖，，如圖１．１。國土資源部２０１８年《中國礦產(chǎn)逡逑資源報告》⑴指出：在２０１７年，煤炭資源查明儲量為１６６６６．７億噸，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全國能源消費結(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，《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（２０１６－２０２０）》逡逑（國函（２０１６）邋１７８）發(fā)布，總體目標(biāo)是到２０２０年，全國煤炭產(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，能源安全是國家安全的重要組成部分，煤炭是我國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，隨逡逑著技術(shù)的進步、管理水平的提高
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD313

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本文編號：2595229