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《中国地震局工程力学研究所》 2012年
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深部开采低渗透煤层预裂控制爆破增透机理研究

王海东  
【摘要】:我国煤系地层普遍埋藏较深,赋存条件复杂,并且煤层瓦斯含量高,吸附性强,煤层松软,透气性较差,瓦斯抽采困难。随着我国对煤炭需求量的增加,开采强度不断增大,浅部资源日益减少,深部开采矿井数量逐渐增多。我国煤矿开采深度以每年8~12m的速度增加,可以预计在未来几年我国部分煤矿将进入1000m左右的深部开采。在进入深部开采以后,瓦斯治理将面临的关键问题主要有以下两个:(1)随着采深的增加,地应力增大,瓦斯压力迅速增加,致使煤与瓦斯突出矿井数量增多,在深部高应力作用下,煤岩体中积聚了大量的瓦斯气体能量和弹性应变能,受工程扰动的影响,煤体内的高压瓦斯气体和应变能急剧释放,导致煤岩结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出。(2)由于地应力的增高,使得深部煤层开采面临的冲击地压频次和强度均有所增加。那么,如何解决深部开采条件下煤体的透气性和应力集中成为瓦斯治理的首要问题。 矿井中浅部开采过程中,采用深孔预裂控制爆破技术进行煤与瓦斯突出及冲击地压的防治已取得了非常好的效果;同时,《煤矿井下深孔控制预裂爆破技术条件(MT1036-2007)》规范2007年已经发布,但根据中浅部埋深情况下,得出的爆破孔与控制孔的相关参数在矿井深部开采条件下是否能够有很好的适用性还有待通过实践来检验。采用理论分析、室内模型实验、数值模拟及现场工业试验相结合的方法,研究了深孔预裂控制爆破技术在矿井深部开采条件下,煤与瓦斯突出及冲击地压的防治方法。论文主要完成了以下工作: 1.高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的影响因素的确定 通过对煤岩体爆破研究成果的总结分析,结合深部高应力低渗透煤层的赋存特点,确定了深部低渗透煤层深孔预裂控制爆破增透的影响因素为煤层地应力、煤层强度、煤层原始瓦斯压力、爆炸波和爆生气体的衰减规律等。 2.高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的理论分析 综合应力波理论、煤岩体力学、爆破理论、断裂损伤力学的理论分析,描述了爆炸波(包括爆炸冲击波和爆炸应力波)在层状煤岩体介质中的传播规律;分析了控制孔的导向致裂机制;考虑高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的上述主要因素的影响,推导了与时间相关的煤体深孔爆破裂纹尖端应力强度因子的积分表达式,同时给出了煤体深孔爆破裂纹扩展长度的计算公式,为煤层深孔预裂控制爆破工艺孔间距的确定提供了理论基础。 3.含瓦斯煤体的深孔预裂控制爆破室内相似材料模型实验研究 通过室内相似材料模型实验,系统地研究了地应力、瓦斯压力、煤的硬度三个主要影响因素与裂隙扩展的关系;研究了煤体爆破中的孔径、孔间距等布孔参数对爆破致裂效果的影响;为现场进行深孔预裂控制爆破参数设计提供依据,也为深孔预裂控制爆破理论分析提供验证。 4.高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的数值模拟研究 采用FLAC3D通用软件,数值分析了爆炸波和爆生气体对煤体深孔爆破增透效果的影响;综合理论分析、相似材料模型实验、数值模拟的结果,系统地分析了上述影响因素对高应力煤层深孔爆破增透效果的影响,揭示了高应力煤层深孔预裂控制爆破增透的机理;并通过对比分析,指出了常规浅孔采掘爆破破岩机理和煤体深孔预裂控制爆破增透机理的不同。 5.高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的现场工程应用 完善了深孔预裂控制爆破工艺相关设备,包括封孔设备、装药被筒材料,并研制了适应深部开采条件下高应力低透气性煤层打钻成孔的专用钻头;对两个典型的低渗透煤层进行现场工业试验及工业试验结果的分析,评价了深孔预裂控制爆破技术在深部开采低透气性高瓦斯煤层防突、防冲的效果及适用性。
【学位授予单位】:中国地震局工程力学研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TD235

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前8条
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2 赵宝友;王海东;;深孔爆破技术在高地应力低透气性高瓦斯煤层增透防突中的适用性[J];爆炸与冲击;2014年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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10 张进军;刘宁川;昝军才;;大佛寺煤矿掘进工作面卸压松动圈范围的确定[A];安全高效矿井安全保障技术——陕西省煤炭学会学术年会论文集(2011)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨宏民;井下注气驱替煤层甲烷机理及规律研究[D];河南理工大学;2010年
2 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
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4 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
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6 张飞燕;高应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术研究[D];武汉理工大学;2010年
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9 陶树;沁南煤储层渗透率动态变化效应及气井产能响应[D];中国地质大学(北京);2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘正;低渗透煤层微观孔隙结构研究及应用[D];西安科技大学;2013年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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10 本报记者 贝为超 本报通讯员 张重汶 潘炳康;龙滩:新技术铸造世纪水电丰碑[N];广西日报;2003年
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