安全高效能坚硬煤岩承压式爆破控制机理及试验分析

发布时间：2020-09-24 05:50

　　 长期以来,坚硬岩层(煤层)的控制一直是我国煤矿开采岩层控制的重点和难点之一。我国大多数矿区均赋存有坚硬煤岩层,坚硬岩层引起的强矿压及其合理高效控制成为煤炭安全开采的重要保障。为此,本文采用试验观测、理论分析以及浅地表内岩石爆破试验等研究方法对煤岩承压式(定向)爆破控制机理、波传播规律、承压介质传载特性以及承压爆破破岩效果等进行了系统深入地研究,研究结果具有重要的理论与工程指导意义。岩石动载作用下的动态力学特性研究。不同岩性的岩石试块单轴动态压缩试验表明,不同应变率条件下的岩石动态应力-应变关系曲线具有一定的相似性,且呈现分段特征。随着加载强度的变化,岩石破坏强度具有明显的应变率相关特性,且与试验加载强度间满足指数关系。岩石加载强度越高,试块破坏形态的应变率相关程度越紧密,岩石破碎块度越小、块体数量明显增多,高应变率条件下的硬岩甚至破碎成粉末状态。承压爆破下的波传播与介质高效传载作用机理研究。基于爆炸与冲击动力学以及流体动力学理论,分析了煤岩孔内“炸药-承压介质-钻孔围岩”三者间的波阻抗匹配关系,及其对波传播规律与介质承载特性的影响。建立了承压爆破条件下的冲击波传播与承压介质受力模型,揭示了安全高效能煤岩承压式爆破冲击波破岩导向与承压介质高效传载作用机理。承压爆破(定向)破岩机理研究。基于流体动力学方法对承压爆破后的钻孔围岩破坏范围进行了区域划分,建立了围岩冲击波与应力波导向破岩力学模型。同时采用断裂力学理论,分析了孔内爆轰产物与承压介质的后续膨胀“水楔”增裂作用机理,揭示了煤岩承压爆破条件下“冲击波-应力波-爆轰产物-承压介质”相互间的时空作用关系,在此基础上提出了煤岩承压爆破导向孔与割缝药管定向技术,并给出了对应技术条件下的定向破岩作用机理。煤岩承压式(定向)爆破过程与破岩效果观测。基于水泥试块以及浅地表内石灰岩的承压爆破以及空孔爆破试验,证实了孔内承压介质具有高效的均匀传载作用,且由于承压介质的湿润、降温以及稀释作用,煤岩承压爆破过程中的有害物质产生可以得到较好地控制。从而既达到了高效能炸药爆轰作用下的安全静态破岩目的,又实现了爆炸超动载与静态承压介质静载作用的统一。研发了煤岩承压爆破实验室专用试验设备以及现场(定向)爆破专用装备与系统,初步形成了承压式爆破条件下的“冲击波导向-应力波破岩-承压介质增裂”煤岩预裂控制理论与技术。特厚煤层坚硬顶板强矿压显现机理研究与承压(定向)爆破控制技术现场实施方案制定。基于大同矿区同忻煤矿石炭系特厚煤层工作面强矿压显现特征分析,揭示了强矿压显现的双向高应力叠加作用影响机理,同时采用三参数威布尔函数拟合分析得到了双向高应力作用下的煤岩应力分布特点,提出了在工作面与回采临空巷道内双向实施顶板承压式定向爆破卸压方法实现围岩高应力转移方案,并给出了具体工艺实施参数。承压式爆破作为一种高效的煤岩控制技术途径,在矿井强矿压控制、顶板处理、煤岩增裂与增透及其结构改造、油气开发等方面具有重要的应用前景,是一项安全、高效、环保、节能的矿井生产保障技术。该论文有图77幅,表13个,参考文献128篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TD235.1


本文编号：2825395