石门揭穿低透气性煤层深孔爆破增透技术研究

论文摘要

本论文主要针对如何解决高瓦斯低透气性突出煤层的瓦斯抽采问题,研究深孔控制预裂爆破技术。主要内容以煤层瓦斯赋存和流动理论及深孔控制预裂爆破的机理为基础,探讨了瓦斯矿井石门揭煤掘进工作面深孔预裂爆破问题的特殊性,对煤层瓦斯流动理论和相关的指标参数进行了回顾,并对其特点和炸药在煤岩体内部爆炸的作用过程进行了详细的探讨和分析;建立了深孔预裂爆破的数学模型,提出合理孔间距的布置是产生爆破裂隙面的关键因素之一。基于动力有限元方法和莫尔—库仑屈服准则利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对不同爆破孔间距深孔松动预裂爆破应力波随时间和空间的发展进行分析,从理论上研究了深孔松动预裂爆破卸压增透的机理以及爆破孔和导向孔孔间距、爆破孔装药藕合系数和爆破孔直径等几个因素对卸压增透效果的影响,计算出2m爆破孔间距和4m爆破孔间距模型中煤体质点压力时间历程发展规律,比较了两种模型的特点。模拟结果表明:在空间有限的揭煤掘进工作面深孔爆破中,应根据具体的断面参数和煤岩参数选择爆破孔间距,小断面应着重考虑两孔之间的煤体爆破应力,大断面应兼顾爆破孔外侧远端边界的爆破应力,一般孔间距取2～4m为佳。现场试验结果表明:深孔松动预裂爆破可以有效地卸除地应力和瓦斯压力,提高煤层透气性系数,是一种十分实用的提高瓦斯抽采量、防止煤层瓦斯突出的措施,具有非常重要的推广使用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外瓦斯治理现状与存在的问题
• 1.2.1 瓦斯抽采现状
• 1.2.2 防治煤与瓦斯突出的措施
• 1.3 深孔控制预裂爆破
• 1.3.1 深孔控制预裂爆破现状及存在的问题
• 1.3.2 问题的提出
• 1.4 主要研究内容
• 1.4.1 目的
• 1.4.2 主要内容及拟解决的问题
• 2 煤层瓦斯流动规律
• 2.1 概述
• 2.2 煤的吸附理论
• 2.2.1 煤层中的瓦斯赋存状态
• 2.2.2 煤的孔隙特征及其评价方式
• 2.2.3 煤的吸附性及其影响因素
• 2.3 煤层瓦斯含量
• 2.4 煤层瓦斯压力
• 2.4.1 瓦斯压力的定义与意义
• 2.4.2 煤层瓦斯压力分布的一般规律
• 2.5 煤层透气系数
• 2.5.1 煤层透气系数的物理意义
• 2.5.2 影响煤层透气系数的因素
• 2.5.3 煤层透气系数的测定和计算
• 2.6 煤层瓦斯运移的基本规律
• 2.6.1 扩散运动
• 2.6.2 渗流运动
• 2.6.3 瓦斯在煤层中的流动状态
• 3 深孔预裂控制爆破增透机理研究
• 3.1 深孔预裂控制爆破的作用
• 3.1.1 爆炸应力波的作用
• 3.1.2 控制孔的作用机理
• 3.1.3 爆生气体作用及贯通裂隙形成条件
• 3.1.4 煤层瓦斯压力对裂隙扩展作用
• 3.1.5 深孔控制预裂爆破裂隙区的形成过程
• 3.2 深孔预裂控制爆破防突作用
• 3.3 强化增透机理分析
• 3.3.1 粉碎圈的作用
• 3.3.2 爆破裂隙面的作用
• 4 深孔控制预裂爆破数值模拟和分析
• 4.1 材料非线性有限元法
• 4.1.1 脆性材料模型
• 4.1.2 屈服准则的选取
• 4.2 ANSYS/LS-DYNA程序简介
• 4.3 计算机模拟基础
• 4.3.1 理论基础
• 4.4 模型的设计和基本假设
• 4.4.1 基本假设
• 4.5 初始条件和基本参数
• 4.5.1 初始条件和边界条件
• 4.5.2 煤岩体深孔预裂爆破基本参数
• 4.6 数值模拟计算与分析
• 4.7 两个爆破孔间距为4m的数值模拟
• 4.7.1 应力波在煤体中的传播
• 4.7.2 应力波对煤体质点的影响
• 4.8 两个爆破孔间距为2m的数值模拟
• 4.8.1 应力波的传播
• 4.8.2 应力波对煤体质点的影响
• 4.9 小结
• 5 现场试验与验证
• 5.1 试验区地质和生产概况
• 5.1.1 新集矿区简介
• 5.1.2 新集一矿概况
• 5.1.3 试验工作面概况
• 5.1.4 其它钻孔具体施工情况
• 5.2 揭煤工作面深孔控制预裂爆破与瓦斯抽采方案
• 5.2.1 深孔控制预裂爆破的布孔方式
• 5.2.2 爆破工艺和辅助设备、材料
• 5.2.3 安全防护措施
• 5.2.4 灾变时避灾路线
• 5.3 现场考察与基本结论
• 5.3.1 作用效果
• 5.3.2 小结
• 6 主要结论及展望
• 6.1 主要结论
• 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