坚硬煤层综放开采顶煤深孔爆破弱化机理与工程应用研究
发布时间：2023-03-29 20:25
本论文以榆阳地区普遍存在的3#浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放难问题为研究背景,开展深孔爆破弱化坚硬顶煤的损伤机理、爆破参数优选及弱化效果预评价技术研究。运用理论分析方法研究了多炮孔作用下坚硬顶煤的损伤弱化过程,及合理表述煤体在爆炸载荷下损伤动态力学本构;运用数值模拟方法研究了单孔布置、双孔布置及三花孔布置形式下顶煤的弱化效果;利用实验室实验手段研究了不同损伤状态下煤样试件的CT值、波速与损伤度的关系;基于实验室试验,在井下利用地震CT检测技术,沿着工作面推进方向测试贯穿顶煤弱化区域的纵波波速变化特征,定量地对深孔爆破弱化效果进行预评价。论文主要取得了如下成果:(1)分析得到影响顶煤爆破弱化效果的关键物理量及各物理量之间的无量纲关系,基于断裂能尺度效应及爆破块度概率分布的爆破破坏体积估算方法,提出了定量化评价爆破效果的4个指标,即煤层完全破裂体积(Vt)、煤层等效破裂体积(Ve)、煤层强损伤体积(VDs)及煤层弱损伤体积(VDw)。提出了考虑应变率效应及应变软化效应的煤体损伤破...
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 问题的提出
1.2 文献综述
1.2.1 爆破弱化坚硬顶煤研究现状
1.2.2 爆破载荷下煤岩体损伤破裂研究现状
1.2.3 地震CT技术研究现状
1.3 主要研究内容
1.3.1 深孔爆破弱化坚硬顶煤的损伤机理研究
1.3.2 不同深孔爆破参数下坚硬顶煤弱化效果的数值模拟研究
1.3.3 不同损伤状态下煤样的CT值、波速与损伤度的关系研究
1.3.4 地震CT检测坚硬顶煤弱化效果分析及工程应用
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
第2章 爆炸载荷下煤体损伤破裂机理研究
2.1 爆炸载荷下煤岩体损伤破裂机理
2.1.1 爆炸冲击波与爆生气体的联合作用
2.1.2 爆炸载荷下煤体的破裂分区
2.2 顶煤爆破效果的影响因素及评价指标
2.2.1 关键物理量及无量纲关系
2.2.2 基于断裂能的煤岩体爆破破碎体积估算
2.2.3 顶煤深孔爆破弱化效果的评价指标
2.3 基于断裂能的煤岩体损伤破裂力学本构
2.3.1 力学本构的提出
2.3.2 力学本构的验证
2.4 爆炸诱发煤层损伤破裂的一般规律
2.4.1 单孔爆破规律
2.4.2 双孔爆破规律
2.4.3 径向不耦合系数的影响规律
2.5 本章小结
第3章 坚硬顶煤爆破弱化参数数值模拟研究
3.1 千树塔煤矿11303 工作面概况
3.1.1 煤层赋存条件
3.1.2 工作面布置
3.2 数值方法及力学模型
3.2.1 CDEM概述
3.2.2 一维轴对称深孔爆源模型
3.2.3 煤体动态损伤破裂本构
3.3 数值模拟方案
3.3.1 三种炮孔布置方式对比模拟方案
3.3.2 炮孔填塞材料选型模拟方案
3.4 计算模型及评价指标
3.4.1 数值计算网格
3.4.2 物理力学参数的确定
3.4.3 计算条件及计算步骤
3.4.4 爆破效果评价指标
3.5 三种炮孔布置方案对比分析
3.5.1 单孔布置效果分析
3.5.2 双孔布置效果分析
3.5.3 三花孔布置效果分析
3.5.4 不同布孔方案的对比分析
3.5.5 三花孔爆破后开采垮落效果分析
3.6 堵塞材料力学性质对堵塞效果的影响分析
3.6.1 堵塞材料参数的敏感性分析
3.6.2 堵塞体运动加速度的估算
3.7 本章小结
第4章 载荷作用下煤样损伤实验研究
4.1 煤岩体损伤力学研究概述
4.2 煤岩体细观损伤实验室测试理论基础
4.2.1 纵横波波速测试理论基础
4.2.2 X射线CT扫描识别技术理论基础
4.3 煤岩体细观损伤实验室测试仪器
4.3.1 纵横波速测试仪器
4.3.2 X射线CT扫描识别仪器
4.4 单轴压缩载荷作用下煤样试件损伤检测分析
4.4.1 单轴压缩实验试件参数
4.4.2 单轴压缩下煤样试件损伤纵横波波速分析
4.4.3 单轴压缩下煤样试件损伤前后X射线CT扫描层析
4.5 三轴压缩载荷作用下煤样试件损伤检测分析
4.5.1 三轴压缩实验试件参数
4.5.2 三轴压缩下煤样试件损伤纵横波波速分析
4.5.3 三轴压缩下煤样试件损伤前后X射线CT扫描层析
4.6 载荷作用下煤样损伤程度的定量分析
4.6.1 煤样损伤变量的纵横波波速定量分析
4.6.2 煤样损伤变量的CT值定量分析
4.6.3 煤样损伤变量纵横波波速和CT值的对比分析
4.7 本章小结
第5章 深孔爆破弱化坚硬顶煤工程应用与效果评价
5.1 深孔爆破弱化坚硬顶煤工程实验
5.1.1 工程试验工作面概况
5.1.2 工程试验方案
5.2 深孔爆破弱化效果预评价方法
5.2.1 地震CT探测原理
5.2.2 地震初至波走时CT探测数据采集
5.3 地震CT探测数据质量和结果分析
5.3.1 深孔爆破前后数据质量评价
5.3.3 地震CT探测结果分析
5.3.4 顶煤回收率比较
5.4 本章小结
第6章 结论、创新点和展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3774414
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 问题的提出
1.2 文献综述
1.2.1 爆破弱化坚硬顶煤研究现状
1.2.2 爆破载荷下煤岩体损伤破裂研究现状
1.2.3 地震CT技术研究现状
1.3 主要研究内容
1.3.1 深孔爆破弱化坚硬顶煤的损伤机理研究
1.3.2 不同深孔爆破参数下坚硬顶煤弱化效果的数值模拟研究
1.3.3 不同损伤状态下煤样的CT值、波速与损伤度的关系研究
1.3.4 地震CT检测坚硬顶煤弱化效果分析及工程应用
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
第2章 爆炸载荷下煤体损伤破裂机理研究
2.1 爆炸载荷下煤岩体损伤破裂机理
2.1.1 爆炸冲击波与爆生气体的联合作用
2.1.2 爆炸载荷下煤体的破裂分区
2.2 顶煤爆破效果的影响因素及评价指标
2.2.1 关键物理量及无量纲关系
2.2.2 基于断裂能的煤岩体爆破破碎体积估算
2.2.3 顶煤深孔爆破弱化效果的评价指标
2.3 基于断裂能的煤岩体损伤破裂力学本构
2.3.1 力学本构的提出
2.3.2 力学本构的验证
2.4 爆炸诱发煤层损伤破裂的一般规律
2.4.1 单孔爆破规律
2.4.2 双孔爆破规律
2.4.3 径向不耦合系数的影响规律
2.5 本章小结
第3章 坚硬顶煤爆破弱化参数数值模拟研究
3.1 千树塔煤矿11303 工作面概况
3.1.1 煤层赋存条件
3.1.2 工作面布置
3.2 数值方法及力学模型
3.2.1 CDEM概述
3.2.2 一维轴对称深孔爆源模型
3.2.3 煤体动态损伤破裂本构
3.3 数值模拟方案
3.3.1 三种炮孔布置方式对比模拟方案
3.3.2 炮孔填塞材料选型模拟方案
3.4 计算模型及评价指标
3.4.1 数值计算网格
3.4.2 物理力学参数的确定
3.4.3 计算条件及计算步骤
3.4.4 爆破效果评价指标
3.5 三种炮孔布置方案对比分析
3.5.1 单孔布置效果分析
3.5.2 双孔布置效果分析
3.5.3 三花孔布置效果分析
3.5.4 不同布孔方案的对比分析
3.5.5 三花孔爆破后开采垮落效果分析
3.6 堵塞材料力学性质对堵塞效果的影响分析
3.6.1 堵塞材料参数的敏感性分析
3.6.2 堵塞体运动加速度的估算
3.7 本章小结
第4章 载荷作用下煤样损伤实验研究
4.1 煤岩体损伤力学研究概述
4.2 煤岩体细观损伤实验室测试理论基础
4.2.1 纵横波波速测试理论基础
4.2.2 X射线CT扫描识别技术理论基础
4.3 煤岩体细观损伤实验室测试仪器
4.3.1 纵横波速测试仪器
4.3.2 X射线CT扫描识别仪器
4.4 单轴压缩载荷作用下煤样试件损伤检测分析
4.4.1 单轴压缩实验试件参数
4.4.2 单轴压缩下煤样试件损伤纵横波波速分析
4.4.3 单轴压缩下煤样试件损伤前后X射线CT扫描层析
4.5 三轴压缩载荷作用下煤样试件损伤检测分析
4.5.1 三轴压缩实验试件参数
4.5.2 三轴压缩下煤样试件损伤纵横波波速分析
4.5.3 三轴压缩下煤样试件损伤前后X射线CT扫描层析
4.6 载荷作用下煤样损伤程度的定量分析
4.6.1 煤样损伤变量的纵横波波速定量分析
4.6.2 煤样损伤变量的CT值定量分析
4.6.3 煤样损伤变量纵横波波速和CT值的对比分析
4.7 本章小结
第5章 深孔爆破弱化坚硬顶煤工程应用与效果评价
5.1 深孔爆破弱化坚硬顶煤工程实验
5.1.1 工程试验工作面概况
5.1.2 工程试验方案
5.2 深孔爆破弱化效果预评价方法
5.2.1 地震CT探测原理
5.2.2 地震初至波走时CT探测数据采集
5.3 地震CT探测数据质量和结果分析
5.3.1 深孔爆破前后数据质量评价
5.3.3 地震CT探测结果分析
5.3.4 顶煤回收率比较
5.4 本章小结
第6章 结论、创新点和展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3774414
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