高压气体预裂爆轰作用致裂煤岩机理及应用研究

发布时间：2020-03-22 15:21

【摘要】：煤矿生产过程中,在处理瓦斯灾害、粉尘防治、冲击地压、两硬煤层等安全技术问题时,常常需要对未开采煤层采取预裂措施,以达到增加煤层透气性、弱化煤岩强度、卸除地压的目的。本文在总结分析前人使用的煤岩致裂理论的基础上,以致裂煤岩为工程背景,提出一种新的煤岩致裂方法,即采用产气预裂剂燃烧生成高压气体预裂爆轰致裂煤岩方法。本文通过理论分析、试验研究、数值模拟和工程试验等研究方法,系统探讨了基于高压气体预裂爆轰作用对煤岩致裂弱化的理论和技术,具有重要的理论意义和广泛的工程应用前景。本文以脆性断裂力学、渗流力学、燃烧学、爆炸力学为基础对高压气体驱动裂纹扩展机理、在钻孔内承压条件下爆轰波作用于钻孔围岩的作用机理进行了理论分析。本文所提的致裂煤岩方法分为两个作用过程:一是由产气预裂剂燃烧生成高压气体,由高压气体驱动钻孔围岩初始裂纹扩展扩展过程;二是随钻孔内气体压力的不断升高产气预裂剂发生爆轰反应,由爆轰冲击波作用于钻孔周边岩体的过程。首先从煤岩体的裂隙孔隙结构入手分析了煤体的受力特征、煤层内气体渗流的特点以及钻孔在煤层中的受力状态。其次通过分析准静压气体作用下裂纹扩展条件,求出钻孔预存裂缝尖端应力强度因子。最后,分析在钻孔压力达到预定压力转爆轰时,且孔内充满高压气体的情况下,钻孔周边煤体受爆轰冲击作用的裂隙扩展规律。通过燃烧成气过程中气体预裂和爆轰冲击两个过程,使煤层内裂隙网络相互贯通,并且裂隙网络内充满高压气体,高压气体包围破碎的煤块持续向内部渗透,使煤层能够达到充分的破碎效果。以三轴压力试验机为平台,模拟井下环境,进行高压气体驱动裂隙扩展的模拟试验。试验系统整体包括加载系统、供气系统、试验盒、设备数控系统和数据采集系统组成。采用原煤试件和由相似材料制成的类完整岩石试件两种材料进行试验。采用应力应变数据采集系统和实时声发射定位系统进行数据采集,通过压力-时间曲线、声发射特征和分形特征对试验结果进行了分析。试验结果表明在试件破裂时钻孔内压力均大于试件的抗拉强度而小于试件的抗压强度,表明裂隙扩展时克服的是试件的抗拉强度。压力曲线和声发射分析表明试件在破裂过程中钻孔内气体压力呈明显的分段特征,并且类完整岩石试件在破裂后钻孔孔内压力迅速下降,而原煤试件在破裂后钻孔孔内压力在下降过程中出现了一个压力稳定区间,原因是原煤内部初始裂隙发育,主裂隙扩展过程中沟通内部小裂隙,使孔内压力在一段时间内达到一个稳定过程。应用LS-DYNA数值分析软件对高压气体预裂爆轰作用致裂煤岩过程进行了数值模拟研究,对煤岩在高压气体预裂爆轰作用下的裂隙演化过程和应力应变演化规律进行分析。数值模拟结果表明,煤岩在高压气体预裂作用下初始裂隙发生扩展,在高压气体预裂基础上发生爆轰时,爆轰冲击波沿预裂裂隙进入煤岩内部,在裂隙尖端位置生成了若干新裂隙。爆轰冲击对钻孔壁围岩的破坏与通常的炸药爆破相比明显要小,粉碎作用明显弱于普通的炸药爆破,与理论分析结果基本一致。针对坚硬顶煤的垮落困难问题,使用本文所述的技术在千树塔煤矿进行了坚硬顶煤弱化的工程实践。现场试验结果表明,本方法能够保证顶煤及时垮落,能够有效控制周期来压时间,煤炭回收率可以提高15%。针对南屯煤矿9309工作面煤尘生成量高并且具有爆炸性倾向的问题,采用高压气体预裂爆轰技术配合煤层注水,使工作面降尘率达到84.5%,有效解决了工作面的降尘问题。
【图文】：

一次能源消费,结构变化

续发展的要求日益提高，石油、天然气、太阳能、风能等能源也逐步在能源结构逡逑中占有一席之地，使煤炭在能源结构中的比重有所下降，但是其在我国能源消费逡逑结构中的主体能源地位依然不可动摇，如图１．１。国土资源部２０１８年《中国矿产逡逑资源报告》⑴指出：在２０１７年，煤炭资源查明储量为１６６６６．７亿吨，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全国能源消费结构中煤炭占６０．４％，依然稳居第一位；煤炭产量为逡逑３４．５亿吨，连续多年居世界第一位。２０１６年１１月，《全国矿产资源规划（２０１６－２０２０）》逡逑（国函（２０１６）邋１７８）发布，总体目标是到２０２０年，全国煤炭产量控制在３９亿吨，逡逑大型煤炭基地生产能力达到全国的９５％以上Ｍ。逡逑７Ｒ逦０逦Ｂ逦０逦Ｒ逦Ｈ逦Ｈ逦Ｄ逦Ｌｊ逦［Ｊ逡逑—邋一邋一邋—逡逑—逦—逦—逦—逡逑６０％邋－邋ｊ逦｜｜逦ｊ逦Ｉ逦］逦Ｍ逦ｒｊ逦Ｈｊ逡逑４０％邋＿逡逑２０％邋－逡逑（）0逦ｉ邋．逦ｉ逦星逦Ｉ逦＞逦ｉ逦ｉｌｌ邋ｉ邋ｌ邋里邋ｉ邋丨邋ｌ邋ｉ逡逑２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７年逡逑0煤炭邋Ｏｆｆ油邋■太然气邋Ｄ水电．技电．风电逡逑图１．１邋一次能源消费结构变化⑴逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑分析表明，能源安全是国家安全的重要组成部分，煤炭是我国主体能源和重逡逑要工业原料，保证煤炭生产的安全高效依然是煤矿工作的重中之重。近年来，随逡逑着技术的进步、管理水平的提高

煤矿事故,类型分析

续发展的要求日益提高，石油、天然气、太阳能、风能等能源也逐步在能源结构逡逑中占有一席之地，使煤炭在能源结构中的比重有所下降，但是其在我国能源消费逡逑结构中的主体能源地位依然不可动摇，，如图１．１。国土资源部２０１８年《中国矿产逡逑资源报告》⑴指出：在２０１７年，煤炭资源查明储量为１６６６６．７亿吨，比２０１６年新增逡逑４．３％；邋２０１７年全国能源消费结构中煤炭占６０．４％，依然稳居第一位；煤炭产量为逡逑３４．５亿吨，连续多年居世界第一位。２０１６年１１月，《全国矿产资源规划（２０１６－２０２０）》逡逑（国函（２０１６）邋１７８）发布，总体目标是到２０２０年，全国煤炭产量控制在３９亿吨，逡逑大型煤炭基地生产能力达到全国的９５％以上Ｍ。逡逑７Ｒ逦０逦Ｂ逦０逦Ｒ逦Ｈ逦Ｈ逦Ｄ逦Ｌｊ逦［Ｊ逡逑—邋一邋一邋—逡逑—逦—逦—逦—逡逑６０％邋－邋ｊ逦｜｜逦ｊ逦Ｉ逦］逦Ｍ逦ｒｊ逦Ｈｊ逡逑４０％邋＿逡逑２０％邋－逡逑（）0逦ｉ邋．逦ｉ逦星逦Ｉ逦＞逦ｉ逦ｉｌｌ邋ｉ邋ｌ邋里邋ｉ邋丨邋ｌ邋ｉ逡逑２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７年逡逑0煤炭邋Ｏｆｆ油邋■太然气邋Ｄ水电．技电．风电逡逑图１．１邋一次能源消费结构变化⑴逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑分析表明，能源安全是国家安全的重要组成部分，煤炭是我国主体能源和重逡逑要工业原料，保证煤炭生产的安全高效依然是煤矿工作的重中之重。近年来，随逡逑着技术的进步、管理水平的提高
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313

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