低透气煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用

论文摘要

在煤矿开采过程中,瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。虽然国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量的研究工作,取得了一定的成果,对防治重大的瓦斯灾害事故起到了重要作用,但还没有从根本上完全防止瓦斯灾害事故的发生。目前,煤层瓦斯抽采措施被认为是预防瓦斯灾害最有效的方法之一,但是随着煤层开采深度的增加,煤层瓦斯含量增高、压力增大,煤层透气性小,从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。因此,提高低透气性高瓦斯煤层的透气性获得较高的提高瓦斯抽采率已成为确保煤矿安全生产,实现煤矿安全高效生产的一个途径。我国的绝大多数煤田均为低透气性高瓦斯煤层,开展低透气性高瓦斯煤层增透技术和抽采瓦斯研究对于预防和消除煤与瓦斯突出等瓦斯灾害的发生具有重要的社会价值和经济效益。本文在前人研究成果的基础上,应用理论分析、实验研究、数值模拟和现场试验等方法研究了深孔预裂爆破技术对低透气性高瓦斯煤层增透提高煤层瓦斯抽采技术。首先分析了煤体结构和孔隙特性,总结出了孔隙—裂隙所形成的巨大网络是瓦斯运移通道,而瓦斯运移量的多少与煤岩渗透性和煤体破坏的力学性能等因素密切相关。通过煤体瓦斯流动特性的研究,为寻求低透气性高瓦斯煤层瓦斯治理措施,防治瓦斯灾害的发生提供了有力的理论依据。其次分析了深孔预裂爆破技术对低透气性高瓦斯煤层的作用机理,得出了炸药爆炸后,爆轰应力波和爆生气体作用是煤体介质大量裂隙生成的主要因素,并使爆破孔周边煤体产生径向“之”字形交叉裂隙网。控制孔为爆破提供了大量的辅助自由面,大大增加了裂隙区的范围,同时研究表明,煤体瓦斯压力对煤体裂隙的发育起促进作用;通过深孔预裂爆破对低透气性高瓦斯煤层增透的作用机理分析,表明深孔预裂爆破技术使煤体裂隙增多,透气性提高,应力重新分布,有利于煤体瓦斯抽采,使煤体瓦斯含量降低,瓦斯压力下降,从而有效消除和预防瓦斯灾害的发生。为了配合低透气性高瓦斯煤层深孔预裂爆破,选用合适的药管,并对药管性能进行了大量的实验研究,研究结果表明:其药管和炸药具有低速、抗阻燃、抗静电和防水性,传爆性能可靠。同时对药管进行多种介质松动模拟试验,得出药管对土壤、岩石和煤体的松动效果明显,对土壤和煤体的松动半径在4m左右,对岩石的松动半径超过2m,其传爆距离超过50m,对低透气性煤层实施深孔爆破具有良好的增透作用。建立低透气性高瓦斯煤层深孔预裂爆破卸压增透不同布孔形式的数学模型,借助Ansys/Ls-Dyna软件进行数值模拟,得出了当两爆破孔间距为6～7m时,两爆破孔间煤体中可以产生足够数量相互沟通的裂隙,此时煤体所承受的地应力小于原始地应力,使其处于卸压状态,增加了煤体的的透气性,为瓦斯抽采提供了瓦斯流动通道。应用低透气性高瓦斯煤层深孔预裂爆破增透的研究成果,在低透气性高瓦斯综采工作面、石门揭煤和巷道掘进中进行深孔预裂爆破煤层卸压增透,并抽出了大量的高浓度瓦斯,为实现煤矿安全高效开采提供了有效的技术途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 瓦斯及其对煤矿安全生产的危害
• 1.1.2 瓦斯排放的环境危害问题
• 1.1.3 煤层卸压增透与瓦斯运移关系研究意义
• 1.2 煤层瓦斯流动理论的研究现状
• 1.2.1 线性瓦斯流动理论
• 1.2.2 线性瓦斯扩散理论
• 1.2.3 瓦斯渗透—扩散理论
• 1.2.4 非线性瓦斯流动理论
• 1.2.5 地物场效应的煤层瓦斯流动理论
• 1.3 瓦斯灾害防治技术的研究现状与特点
• 1.3.1 煤与瓦斯突出机理研究现状
• 1.3.2 煤和瓦斯突出发生条件研究现状
• 1.3.3 煤与瓦斯突出的防治现状
• 1.4 低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽放技术研究现状
• 1.5 深孔预裂爆破技术的研究现状
• 1.6 本文的主要研究内容和研究方法
• 2 煤体结构与瓦斯流动特性
• 2.1 构造煤
• 2.1.1 构造煤及其特征
• 2.1.2 构造煤的分类
• 2.2 煤层孔隙结构特性
• 2.3 煤体中瓦斯及赋存状态
• 2.4 煤的瓦斯生成量及含量
• 2.5 煤层中瓦斯流动特性
• 2.5.1 煤层中瓦斯流动状态
• 2.5.2 煤层中瓦斯流动方程
• 2.6 煤岩的渗透特性
• 2.6.1 煤体渗透性的特征
• 2.6.2 煤岩渗透性的耦合作用特征
• 2.6.3 渗透性的影响因素分析
• 2.7 煤的力学性能
• 3 煤层强化增透深孔预裂爆破作用机理研究
• 3.2 深孔预裂爆破的作用
• 3.2.1 炸药爆轰时的能量分析
• 3.2.2 爆炸应力波的作用
• 3.2.3 控制孔的作用机理
• 3.2.4 爆生气体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 深孔预裂爆破增透试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 深孔预裂爆破器材
• 4.2.1 深孔预裂爆破药管
• 4.2.2 深孔预裂爆破药管和炸药性能试验
• 4.3 爆破药管的松动效应模拟试验
• 4.3.1 试验参数及工艺
• 4.3.2 试验结果
• 4.4 炸药爆破岩石致裂效应试验
• 4.4.1 试验参数与工艺
• 4.4.2 试验结果
• 4.5 爆破药管煤体增透效果试验
• 4.5.1 爆破松动半径测试
• 4.5.2 煤体裂隙发育程度
• 4.6 本章小结
• 5 深孔预裂爆破增透数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 理论基础
• 5.3 计算模型的建立
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.5 本章小结
• 6 深孔预裂爆破现场试验应用研究
• 6.1 综采工作面应用工程试验
• 6.2 石门揭煤应用工程试验
• 6.3 掘进工作面应用工程试验
• 6.4 深孔预裂爆破技术试验成果总结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果