深孔预裂弱化顶板技术在余吾矿的研究与应用

发布时间：2017-10-17 11:38

  本文关键词：深孔预裂弱化顶板技术在余吾矿的研究与应用

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【摘要】：本文针对坚硬顶板弱化处理展开了相应的理论研究、数值模拟、工程实施和实施效果监测。首先,根据现行弱化处理坚硬顶板的工程方法,选择深孔预裂切顶方案,划分顶板坚硬级别,并根据相关爆破理论计算点爆破形成的两区(粉碎区、裂隙区)破坏半径,完成基础性的理论研究。基于上述理论研究结果,展开对单孔和炮孔组的细化研究,考虑影响单孔及炮孔组爆破效果的设计参数,包括:不耦合系数、孔间距、组间距、装药结构和药包切缝宽度。理论研究各参数对爆破效果的影响情况,并结合实际情况确定出各参数的合理取值范围。其次,根据理论计算的各设计参数的合理取值范围,结合N1202工作面实际工程背景,运用ANSYS/LS-DYNA软件分别对各参数进行相应数值模拟,通过对模拟结果的对比及分析,确定出此工作面合理的爆破设计参数。然后,基于前述章节的理论计算和数值模拟成果,确定出N1202工作面顶板弱化处理方案,对顶板实施弱化处理。过程中记录分析顶煤垮落情况、窥视对比爆破前后孔壁差异、与未处理工作面对比分析瓦斯和CO释放浓度,明确顶板弱化效果。最后,对N1202工作面进行矿压观测,在工作面和顺槽布置测线和测站,记录支架工作阻力、明确工作面初次来压强度及步距、监测巷道表面位移,综合分析是否达到顶板弱化处理的预期效果和目的。本文研究结论:①根据顶板各岩性的物理力学参数测定实验,对顶板分级,通过梁模型和薄板模型适用性比较分析,得出两理论模型均适合N1202工作面。并运用关键层理论,求出顶板上覆均布载荷q,预计来压步距。并根据爆破理论计算出各岩层破坏区半径。②根据N1202工作面实际情况和数值模拟结果,确定出爆破设计参数,径向不耦合系数的合理设计范围确定为1.15-1.5时,单孔爆生裂隙区半径为1.5m-3m,单组炮孔起爆时爆生裂隙区半径为3.5m。故组内孔间距设计取值范围为3-6m,组间距设计取值范围为取7-8m,能确保孔间形成贯穿裂隙,利于工作面顶板炮孔布置设计。另外,若对药包或者孔壁进行切缝或切槽处理,可以增强定向贯穿效果。故通过计算得出药包切槽宽度取15mm并进行模拟,表明切缝对爆生初始裂隙和高能射流具有导向作用。③通过矿压观测,结果表明:顶板实施弱化处理后,N1202初次来压步距平均为27m,与未经顶板弱化处理工作面N1205对比,初次来压步距缩短近15m,平均来压强度有所降低且来压期间支架工作阻力均满足额定工作阻力要求,巷道表面位移量小,利于减小超前支护强度和有效降低护巷要求。
【关键词】：坚硬顶板 理论研究 数值模拟 方案设计 矿压观测
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 坚硬顶板控制措施及处理方法13-15
• 1.2.2 国外针对坚硬顶板研究进展15-16
• 1.2.3 国内针对坚硬顶板研究进展16-19
• 1.3 研究目的、内容、方法、技术路线19-22
• 1.3.1 研究目的、内容19-20
• 1.3.2 研究方法、技术路线20-22
• 第二章 坚硬顶板理论分析及计算22-44
• 2.1 引言22
• 2.2 坚硬顶板力学特性、分级22-26
• 2.2.1 坚硬顶板物理力学参数测定试验22-24
• 2.2.2 基本顶顶板判别及分级24-26
• 2.3 顶板上覆岩层关键层判定及顶板处理前来压步距预计26-35
• 2.3.1 工作面顶板上覆岩层关键层判定26-31
• 2.3.2 基本顶初次垮落断距理论计算31-35
• 2.4 顶板岩层岩石爆破理论模型35-36
• 2.4.1.弹性理论模型35-36
• 2.4.2 断裂力学理论模型36
• 2.4.3 断裂损伤模型36
• 2.5 顶板岩层爆破破岩过程及成缝机理研究36-39
• 2.5.1 爆破破岩过程36-37
• 2.5.2 成缝机理37-39
• 2.6 顶板岩层爆破破裂区理论研究39-42
• 2.6.1 岩层中柱状装药爆破冲击波初始压力计算39
• 2.6.2 冲击动载作用下岩石破坏准则39-40
• 2.6.3 破裂区半径计算40
• 2.6.4 工程实例计算40-42
• 2.7 本章小结42-44
• 第三章 深孔爆破参数理论研究44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 径向不耦合系数理论研究及取值范围确定44-49
• 3.2.1 不耦合系数和孔壁初始压力的理论关系44-47
• 3.2.2 不耦合系数与其他爆破效果因素的理论关系47-49
• 3.3 炮孔间距对爆破效果影响理论研究49-51
• 3.3.1 炮孔间距理论计算49-50
• 3.3.2 工程实例计算50-51
• 3.4 装药结构对爆破效果的影响理论研究及确定51-53
• 3.5 切缝宽度对爆破效果的影响理论研究及确定53-57
• 3.5.1 切槽孔、切缝药包定向断裂顶板机理54
• 3.5.2 切缝宽度理论计算54-56
• 3.5.3 工程实例计算56-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 顶板预裂爆破参数确定数值模拟58-84
• 4.1 引言58
• 4.2 LS-DYNA数值模拟程序算法58-59
• 4.2.1 程序算法分析58
• 4.2.2 程序方程58-59
• 4.3 建模及参数确定59-62
• 4.3.1 岩石模型单元参数60
• 4.3.2 药卷模型单元参数60-61
• 4.3.3 间隔介质单元参数61
• 4.3.4 填塞材料单元参数61-62
• 4.4 模拟结果及相关分析62-82
• 4.4.1 不同径向不耦合系数模拟结果分析62-69
• 4.4.2 不同组内孔间距模拟结果分析69-76
• 4.4.3 不同炮孔组组间距模拟结果分析76-80
• 4.4.4 药包切缝宽度模拟结果分析80-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第五章 深孔爆破预裂顶板技术工程应用及实践84-94
• 5.1 引言84
• 5.2 工程概况84-87
• 5.2.1 工作面位置及四邻情况84-85
• 5.2.2 地质概况85
• 5.2.3 瓦斯、煤层情况85
• 5.2.4 工作面巷道布置及支护85-86
• 5.2.5 采煤方法及回采工艺86-87
• 5.3 顶板弱化方案设计87-92
• 5.3.1 弱化高度计算87-88
• 5.3.2 设计参数88
• 5.3.3 设计图纸及炮孔参数88-91
• 5.3.4 工程设备及火工品91-92
• 5.4 本章小结92-94
• 第六章 坚硬顶板处理后效果分析94-106
• 6.1 引言94
• 6.2 顶板处理后基本顶初次来压步距预计94-95
• 6.3 深孔预裂顶板期间顶煤（顶板）下沉垮落情况95-96
• 6.4 炮孔爆破效果前后对比分析96-99
• 6.5 爆破期间及顶板初次来压期间瓦斯、CO涌出量分析99-105
• 6.5.1 爆破期间瓦斯、CO涌出量监测99-102
• 6.5.2 工作面初采期间瓦斯、CO涌出量监测102-105
• 6.6 本章小结105-106
• 第七章 工作面顶板垮落数值模拟及后期矿压观测106-118
• 7.1 引言106
• 7.2 观测目的及测点布置106-109
• 7.2.1 工作面及巷道矿压观测目的106
• 7.2.2 观测内容106-107
• 7.2.3 工作面测线布置情况107
• 7.2.4 工作面两巷收敛变形测点布置107-109
• 7.3 矿压监测数据分析109-113
• 7.3.1 直接顶初次来压情况109-110
• 7.3.2 基本顶初次来压情况110-113
• 7.4 巷道表面位移监测数据分析113-116
• 7.5 本章小结116-118
• 第八章 结论与展望118-122
• 8.1 结论118-119
• 8.2 展望119-122
• 参考文献122-128
• 致谢128-130
• 附录A：攻读硕士期间发表的学术论文130
• 附录B：攻读硕士期间参与的科研项目130

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