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煤层巨厚坚硬顶板超前深孔爆破强制放顶技术研究

作　者: 谭诚
导　师: 傅菊根
学　校: 安徽理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 薄煤层巨厚坚硬顶板强制放顶超前深孔松动爆破垮落步距
分类号: TD327.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

薄煤层巨厚坚硬顶板由于其岩石抵抗破坏的极限强度大,在煤层开采后在采空区可形成大面积悬顶,短期内不易自然垮落。其初次垮落步距是普通坚硬顶板的2-3倍,周期来压步距是普通坚硬顶板的3--4倍。一旦垮落将各给采面的安全生产带来极大的威胁。并且由于煤层厚度满足不了综采机的最小采高,往往需要综采机钻头切割顶板或底板,而当工作面岩石较硬时,综采机钻头无法切割顶板岩石。因此如何既能减小薄煤层巨厚坚硬顶板垮落步距,又能满足综采机的工作条件,成为薄煤层巨厚坚硬顶板工作面安全生产亟待解决的问题。基于以上原因,本文对薄煤层巨厚坚硬顶板条件下超前深孔松动爆破技术进行了研究与探讨。本文首先对比了岩石在静载荷与动载荷的作用下,岩石的应力应变的不同变化隋况,以及加载速度对岩石强度的影响。同时详细讨论了爆破冲击波、应力波对岩石的动态破坏特征,和爆生气体对岩石的准静态破坏特征。以及炮孔围岩中裂隙的发展和生成规律,爆生裂缝的扩展条件、长度、速度等参数。其次对坚硬顶板垮落步距进行了深入的分析,提出了基于弹塑性理论的岩梁和岩板模型,并分别推导出了岩梁和岩板模型的初次垮落步距和周期垮落步距,得到了简化的计算方法,并确定了坚硬顶板应采用岩板模型较为合理,但是由于薄煤层巨厚坚硬顶板不符合薄板理论,所以应采用岩梁模型计算的结论。同时利用Ansys数值模拟软件对薄煤层巨厚顶板进行了数值分析,并与理论计算值进行了对比。并提出了防止薄煤层巨厚坚硬顶板突然垮落的方法。最后从理论上对爆破参数进行了优化设计,确定了炮孔直径、深度、间距和炮泥封堵长度、装药量等爆破参数。通过朱庄煤矿Ⅱ646工作面的超前深孔松动爆破的现场实践,确定了适合现场实际的爆破参数,在取得了较好的爆破效果和经济利益基础上,对今后同类型综采工作面的超前强制放顶提供了参考。图59表9参52

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-15
1 绪论  15-23
  1.1 选题的依据和意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-20
    1.2.1 坚硬顶板弱化技术研究现状  16-18
    1.2.2 深孔松动爆破的研究现状  18-20
  1.3 研究目的、内容与方法  20-23
    1.3.1 研究目的  20
    1.3.2 研究内容  20-21
    1.3.3 研究方法  21-23
2 岩石在动静载荷作用下的力学特性  23-31
  2.1 概述  23
  2.2 岩石在静载荷作用下的力学性质  23-28
    2.2.1 岩石在低应变速率下的力学性质  24-25
    2.2.2 岩石在中等应变速率下的力学性质  25-28
  2.3 岩石在动载荷作用下的力学性质  28-30
  2.4 小结  30-31
3 坚硬岩石深孔松动爆破理论  31-42
  3.1 岩石爆破破坏机理假设  31-32
    3.1.1 爆破应力波破坏理论  31
    3.1.2 爆生高压气体破坏理论  31
    3.1.3 爆破应力波与爆生高压气体共同作用破坏理论  31-32
  3.2 岩石的爆破理论模型  32-34
    3.2.1 弹性理论模型  32
    3.2.2 断裂理论模型  32-33
    3.2.3 损伤理论模型  33-34
  3.3 岩石爆破内部破坏作用  34-41
    3.3.1 爆腔区  34-35
    3.3.2 压碎区  35-36
    3.3.3 裂隙区  36-41
    3.3.4 震动区  41
  3.4 小结  41-42
4 薄煤层坚硬顶板合理悬顶长度与垮落步距分析  42-52
  4.1 综采面上覆岩层的移动规律  42-44
  4.2 综采面围岩的力学模型  44-45
  4.3 薄煤层坚硬顶板的力学模型及其计算  45-51
    4.3.1 初次垮落前薄煤层坚硬顶板的极限跨距  46-49
    4.3.2 周期垮落时薄煤层坚硬顶板的跨距  49-51
  4.4 小结  51-52
5 坚硬顶板垮落的数值模拟  52-73
  5.1 Ansys简介  52
  5.2 普通坚硬顶板的数值分析  52-65
    5.2.1 普通坚硬顶板初次垮落步距的数值模拟  54-60
    5.2.2 普通坚硬顶板周期垮落步距的数值模拟  60-65
  5.3 薄煤层巨厚坚硬顶板的数值分析  65-72
    5.3.1 薄煤层巨厚坚硬顶板初次垮落步距的数值模拟  66-69
    5.3.2 薄煤层巨厚坚硬顶板周期垮落步距的数值模拟  69-72
  5.4 小结  72-73
6 超前深孔松动爆破参数设计  73-81
  6.1 概述  73
  6.2 超前深孔松动爆破机理分析  73-74
  6.3 超前深孔松动爆破参数研究  74-80
    6.3.1 炮孔直径  74
    6.3.2 钻孔布置  74-76
    6.3.3 炮孔深度  76-77
    6.3.4 孔底高度  77
    6.3.5 封孔长度  77-78
    6.3.6 装药量计算  78-80
  6.4 小结  80-81
7 朱庄煤矿薄煤层巨厚坚硬顶板超前深孔松动爆破法现场试验  81-93
  7.1 工程概况  81-83
    7.1.1 煤层结构及赋存  81
    7.1.2 煤层顶板与底板情况  81
    7.1.3 地质构造与水文情况  81-82
    7.1.4 采煤方法、推进方式和采高的确定  82
    7.1.5 放顶方式的确定  82-83
  7.2 岩石物理力学性质测试  83-85
    7.2.1 采样样本  83
    7.2.2 采样要求、加工及内容  83
    7.2.3 测试设备  83-84
    7.2.4 测试内容  84-85
  7.3 初次垮落与周期垮落步距研究方案  85-86
    7.3.1 巨厚坚硬顶板及其上覆岩层载荷的计算  85-86
    7.3.2 现场初次垮落步距计算  86
    7.3.3 现场周期垮落步距的计算  86
  7.4 超前深孔预裂松动爆破方案研究  86-89
    7.4.1 超前深孔松动爆破合理的循环步距研究  86
    7.4.2 爆破参数设计  86-89
  7.5 实验效果及其分析  89-92
  7.6 小结  92-93
8 结论与展望  93-95
参考文献  95-97
致谢  97-98
作者简介及读研期间主要科研成果  98

煤层巨厚坚硬顶板超前深孔爆破强制放顶技术研究

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