祁南矿32煤层深孔爆破增透技术的研究及应用

论文摘要

本论文主要研究深孔预裂控制爆破技术的作用机理,借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行数值模拟和分析。从理论上进一步研究了爆炸载荷作用下,煤体裂隙的扩展机理、爆炸过程中压碎区和裂隙区形成的机理以及应力强度因子的变化规律;同时通过数值模拟研究了爆炸冲击波、应力波和爆生气体对煤体的作用。着重研究了两爆炸孔之间爆炸应力的变化、爆炸孔之间的最佳距离、控制孔的作用机理、应力波的衰减规律。从理论和数值模拟两方面研究了深孔预裂控制爆破的爆破过程以及其提高瓦斯抽采率的作用机理。研究表明:深孔预裂控制爆破技术是通过爆炸载荷的作用,在煤层中形成压碎区和裂隙区,并通过控制孔的作用,进一步扩大了裂隙区的范围,从而使煤层松动透气性增大,有效的卸除地应力和瓦斯压力。增加了瓦斯抽采量和抽采率,最终保证了煤矿的安全生产。通过现场验证说明了这一技术的可行性、有效性和经济性。使得这项技术成为治理瓦斯危害的一个重要手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的提出
• 1.4 研究内容
• 2 煤层瓦斯流动规律
• 2.1 瓦斯在煤层中的流动机理
• 2.2 煤的吸附理论及煤的瓦斯含量
• 2.2.1 煤的赋存状态
• 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 含瓦斯煤体的物性参数
• 2.3.1 含瓦斯煤的力学特性
• 2.3.2 含瓦斯煤的渗透特性
• 2.3.3 含瓦斯煤的蠕变特性
• 2.4 煤层瓦斯移动基本规律
• 2.4.1 瓦斯在煤层中的移动
• 2.4.2 瓦斯在煤层中的流动状态
• 2.4.3 瓦斯流动中的相似准数
• 2.4.4 瓦斯在煤层中扩散—渗透流动时的数学模型
• 3 爆破载荷作用下煤岩中裂隙的扩展
• 3.1 裂纹尖端区域的应力场
• 3.2 岩石的应力强度因子
• 3.2.1 岩石的动态断裂韧度
• 3.2.2 岩石中应力强度因子在初始阶段的变化
• 3.3 爆炸载荷下岩石中裂隙的起裂、扩展和止裂
• 3.3.1 爆破岩石裂纹的起裂
• 3.3.2 爆破裂纹的扩展
• 3.3.2.1 爆炸载荷作用下裂纹的扩展
• 3.3.2.2 爆破裂纹的分岔
• 3.3.3 爆破裂纹的止裂
• 3.4 裂纹扩展方向分析
• 3.5 裂纹扩展速度
• 3.6 裂纹扩展的长度和张开位移
• 3.6.1 裂纹扩展的长度
• 3.6.2 裂纹张开位移
• 3.7 相邻炮孔间裂隙的形成
• 4 深孔控制预裂爆破增透机理
• 4.1 深孔控制预裂爆破的实质
• 4.2 爆破过程中的裂隙形成过程
• 4.2.1 爆破裂隙形成过程概述
• 4.2.2 深孔控制预裂爆破的作用机理和过程
• 4.2.3 控制孔的作用
• 4.2.4 贯通裂隙形成条件
• 4.2.5 瓦斯压力对裂隙形成的影响
• 5 深孔控制爆破的数值模拟研究
• 5.1 模拟工具概况
• 5.1.1 LS-DYNA功能特点
• 5.2 材料的特性参数和工作面概况
• 5.2.1 炸药单元的材料参数
• 5.2.1.1 炸药JWL状态方程
• 5.2.2 煤与岩石的物理力学参数
• 5.2.3 工作面基本情况
• 5.3 数值模拟模型的建立
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 模型参数
• 5.3.3 材料模型
• 5.3.4 边界条件
• 5.3.4.1 地应力的计算
• 5.3.4.2 两侧面边界条件
• 5.3.4.3 正背面及底面边界条件
• 5.3.5 ALE算法
• 5.4 深孔预裂爆破的煤体应力分析
• 5.4.1 模型1（爆孔距3m）的煤体应力分析
• 5.4.2 模型2（爆孔距4m）的煤体应力分析
• 5.4.3 模型3（爆孔距6m）的煤体应力分析
• 5.4.4 位移-时间历程系列图
• 5.4.5 结果分析
• 5.4.6 控制孔作用数值模拟
• 5.4.7 应力波衰减分析
• 6 试验验证
• 6.1 爆破孔布置
• 6.2 打钻工艺及设备
• 6.3 爆破工艺
• 6.4 效果测试
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果