高瓦斯工作面坚硬悬顶无焰爆破弱化技术研究与应用

发布时间：2020-06-15 02:29

【摘要】：采煤工作面综采过后上隅角顶板垮落问题是影响井下安全生产的重要问题。由于我国煤层开采深度逐渐增加,煤层地应力逐渐增大,在高强度地应力作用下深部岩石呈现出高硬度,整体性较强等特点,在开采过后很难由于自重而形成自由垮落,一旦悬顶面积过大就会给井下安全生产造成重大隐患,传统乳化炸药致裂顶板易造成井下瓦斯爆炸等安全性问题。平煤二矿庚组煤层顶板属坚硬顶板,针对平煤二矿庚_(20)-2100工作面顶板坚硬,在回采过程中难以由自重直接垮落的难题,提出了一款无焰爆破剂(Non-Explosive Expansion Material,简称NEEM),提出了利用非爆炸性膨胀致裂方法来实现对坚硬煤层顶板进行弱化致裂。NEEM具有无污染、无明火、无碎石等优点,具有很好的应用前景。本文从NEEM致裂破碎单元到致裂原生岩石分析着手,采用了实验室分析、现场实验与数值模拟相结合的方法,研究确定了针对井下进行无焰爆破所需要的工艺参数,例如顶板钻孔布置距离、钻孔布置方案、装药环节等,在此基础上取得了以下一些成果:(1)通过NEEM膨胀钢管试验,测试了NEEM初始膨胀应力,进行了NEEM破碎原生岩石试验,试验表明NEEM可以对井下顶板进行致裂,为井下进行无焰爆破弱化顶板方案提供了可靠的理论依据。(2)利用COMSOL数值模拟,分析了两孔之间应力云图、两孔中轴线的应力分布图,提出了适合井下无焰爆破钻孔布置的合理距离,利用FLAC3D数值模拟,分析了在不同角度钻孔下利用无焰爆破对顶板进行致裂的效果,结合NEEM遇水之后膨胀应力与时间的关系,遵循以时间换取空间的原则,提出了“逐级弱化-时空协同-整体弱化”的技术思路。(3)针对井下上行孔装药问题,提出了卷装NEEM,并开发了一套适合井下上行孔卷装NEEM快速装药装置与装药流程工艺。(4)在平煤二矿庚_(20)-21100工作面进行了现场工业性应用,应用结果表明,无焰爆破弱化技术能够解决庚组煤层工作面坚硬顶板无法自由垮落问题,应用期间,上隅角瓦斯浓度在正常范围内,上隅角悬顶面积不超限,井下生产作业正常进行。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD327.2
【图文】：

工作面端头,悬板,悬顶

工程硕士专业学位论文6图1-1 工作面端头“三角悬板”结构Figure 1-1 "Triangular suspension plate" structure of face end平煤二矿庚组煤工作面直接顶为石灰岩，平均厚度在 5m 以上，较为坚硬，整体性强，工作面在回采过程中由于一次采高大，工作面顶板直接冒落的矸石难以充填满采空区，顶板以一定角度向采空区倾斜，形成悬臂梁，造成回采工作面推进过程中回风巷上隅角经常会出现顶板不能及时垮落现象，导致采空区后方悬顶面积增大（如图 1-1）所示，容易造成瓦斯积聚[81]。工作面上隅角悬顶的危害是显而易见的，为保证回采的顺利进行，必须有效地控制悬顶面积

三轴实验

图2-2 膨胀压测试示意图及膨胀压曲线图Figure 2-2 Expansion pressure test diagram and expansion pressure curve2.3 NEEM 致裂样块围压破碎试验（Confined Pressure Crushing Test oNEEM Fracturing Samples）为了模拟静态 NEEM 破碎岩石的具体情况，根据实际中对岩石施加围压，试样在自由状态下的破裂不能够反映实际的破碎状况，因而采用了三轴系统对试样加压模拟实际的情况，三轴系统见图 2-3。在实际中岩石的各个方向的围压也都不尽然相同，因此对试样加压两个对面的应力分别为：1.2MPa、0.2MPa。有观点认为裂纹沿着垂直于最小主应力的方向，利用两个试样进行了开裂试验验证见图 2-4 和图 2-5。(c)时间(S)

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