堅硬頂板控制一直是我國煤礦巖層控制中的重點和難點問題。伴隨煤炭資源開采深度與強(qiáng)度的增加,煤炭高效開發(fā)伴生的堅硬頂板事故和災(zāi)害問題愈加突出。厚煤層開采覆巖擾動層位高,加劇了頂板斷裂擾動范圍和程度,使得采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)獨具特點。在此條件下,開展高效的頂板控制技術(shù)與機(jī)理研究,是堅硬頂板煤層安全高效開采的重要保證。基于此,提出了一種鉆孔圍巖充水承壓爆破致裂技術(shù),借助孔內(nèi)水介質(zhì)和浸潤改性巖體的優(yōu)越傳載性能,實現(xiàn)了爆炸高能量的充分利用,并綜合多種方法研究了多介質(zhì)層內(nèi)的波動傳載規(guī)律和爆生氣體膨脹過程,揭示了孔內(nèi)充水承壓爆破高效破巖機(jī)理,為礦井堅硬頂板合理爆破預(yù)裂參數(shù)的確定提供了科學(xué)依據(jù)。論文研究取得以下成果:(1)高應(yīng)變率加載條件下,天然與浸潤巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似,隨著浸潤時間與浸水壓力增加,巖石強(qiáng)度伴隨應(yīng)變率提高呈指數(shù)增長。低應(yīng)變率條件下,天然、浸潤巖石的抗壓/抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變率之間分別滿足指數(shù)與對數(shù)關(guān)系,且隨著浸潤時間和浸水壓力的增加,巖石強(qiáng)度有所降低。綜合研究指出,浸潤巖石高應(yīng)變率加載下的脆性與強(qiáng)度均有所增加,但低應(yīng)變率條件下其強(qiáng)度普遍趨于弱化。(2)在凝聚態(tài)炸藥爆轟參數(shù)分析基礎(chǔ)上,探討了鉆孔中水介質(zhì)層的波動傳載規(guī)律及破巖機(jī)制,建立了承壓水層的波動傳載、致裂力學(xué)模型,揭示了鉆孔充水承壓條件下的波動高效破巖機(jī)制,并在爆炸波破巖分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步闡述了爆生氣體聯(lián)合孔內(nèi)水介質(zhì)的高效增裂機(jī)理。綜合研究指出,鉆孔內(nèi)水介質(zhì)的存在利于波動傳載效能的充分發(fā)揮,通過適當(dāng)提高孔內(nèi)水介質(zhì)的壓力,改善浸水巖體動態(tài)力學(xué)特性,有利于巖體高效致裂效果的實現(xiàn)。(3)研究了大尺寸工程巖體承壓爆破條件下的孔壁圍巖應(yīng)力、裂隙演化規(guī)律,重點探討了鉆孔承壓水層厚度、孔內(nèi)裝藥量、孔內(nèi)水介質(zhì)承壓大小以及空孔存在條件等因素對浸水巖體爆破致裂的影響,得到了影響巖體爆破高效致裂效果的主控因素。同時,結(jié)合礦井厚煤層具體開采條件,確定了合理的堅硬頂板承壓爆破參數(shù),深孔充水承壓爆破技術(shù)的現(xiàn)場實施取得了顯著的堅硬頂板預(yù)裂和采場卸壓效果。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD327.2
【部分圖文】：

（d） （e）圖 2-1 SHPB 試驗系統(tǒng)Figure 2-1 SHPB test system高速動態(tài)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)處理光源 應(yīng)變片入射桿巖樣透射桿應(yīng)變片緩沖桿阻尼子彈放大器濾波器圖 2-2 SHPB 試驗裝置Figure 2-2 SHPB test device為避免沖擊過程中試件端面產(chǎn)生凹型破壞，加工時要確保試件端面的平行直徑 50.0mm×厚度 50.0mm）。加載前，試件放置于入射桿與透射桿間，三者接觸。壓桿通過底座支桿支撐，確保所有桿體同軸，同時在撞擊桿與入射桿貼橡膠整形器，確保波形的完整性與較長的上升沿[98]，使得試件破壞前內(nèi)部達(dá)到均勻化，提高測試精度與準(zhǔn)確性。在撞擊桿激發(fā)獲得初始速度（由平行

20（g）天然試件，應(yīng)變率 214.78s-1（h）浸潤試件，應(yīng)變率 226.55s-1圖 2-16 天然與浸潤試件不同應(yīng)變率下沖擊破壞特征Figure 2-16 Impact failure characteristics of natural and infiltration specimens at different strainrates天然-浸潤試件破碎塊度與加載應(yīng)變率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但浸潤試件破碎塊度略大于天然試件。在低應(yīng)變率（75.63s-1和 77.47s-1）下，天然-浸潤試件破壞均呈軸向劈裂特征，仍具有較強(qiáng)的彈性承載能力；隨著應(yīng)變率增加（117.95s-1與 119.66s-1），試件破碎塊度呈現(xiàn)大-小不均等分布，浸潤巖石試件破碎塊度區(qū)間大于天然巖石試件；在應(yīng)變率 156.62s-1與 160.35s-1下，破碎最大巖塊較低應(yīng)變率下明顯降低，塊度極值差值減小，浸潤試件破壞塊度均值大于天然試件；在應(yīng)變率 214.78s-1和226.55s-1下試件破碎塊度分布均勻，天然巖石試件趨于粉末形態(tài)，而浸潤試件破碎塊度大于天然巖體。天然-浸潤試件呈現(xiàn)脆性破壞特征，隨著加載應(yīng)變率提高浸水巖石脆性呈增強(qiáng)趨勢，利于動態(tài)破裂的實現(xiàn)。

（a）2.0h （b）8.0h （c）12.0h圖 2-17 不同浸潤時間下巖石沖擊破碎塊度分布Figure 2-17 Impact fragmentation distribution of rock under different infiltration time隨著浸潤時間增加，試件破碎塊度呈現(xiàn)增大趨勢，呈現(xiàn)脆性破壞特征，表現(xiàn)為浸潤時間正相關(guān)特性；在較短浸潤時間（2.0h）下，試件沖擊破壞呈粉碎形態(tài)，在浸潤 8.0h 時，試件破裂塊度整體上微量增加，但局部存在少量大塊度巖塊；隨著浸潤時間增加（12.0h），試件承載能力進(jìn)一步增強(qiáng)，破碎塊度增加的同時分布趨于集中化與均勻化；試件脆性破壞趨勢增強(qiáng)。不同浸水壓力下試件沖擊破碎塊度結(jié)果如圖 2-18。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2847682