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综放工作面开切眼深孔预裂的理论和实践研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题的依据和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 坚硬顶板弱化技术研究现状

1.2.2 深孔松动爆破技术的研究现状

1.3 研究目的、内容和方法

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法

第二章 工作面概况及实验室物理力学试验

2.1 工作面位置及四邻情况

2.2 地质概况

2.2.1 煤层情况

2.2.2 顶底板情况

2.2.3 地质构造

2.2.4 水文地质条件

2.3 瓦斯、煤层及自燃发火情况

2.4 工作面巷道布置及支护

2.5 工作面生产技术条件

2.6 项板管理

2.6.1 工作面支架的布置方式

2.6.2 端头支护

2.6.3 超前支护

2.7 煤层和顶、底板岩石物理力学试验

2.7.1 岩样密度的测定

2.7.2 岩样抗压强度的测定

2.7.3 岩样抗拉强度的测定

2.7.4 岩样内聚力和内摩擦角的测定

2.7.5 试验结果及分析

第三章 N2105工作面矿压显现特征理论分析

3.1 关键层理论分析

3.2 老顶初次来压步距分析

3.3 老顶周期来压步距分析

3.4 N2105工作面初采期间采空区大面积悬顶的安全隐患

3.4.1 N2105工作面采空区自由空间高度分析

3.4.2 N2105工作面采空区悬顶面积分析

3.5 N2105工作面宜采用的顶板弱化处理方法

3.6 本章小结

第四章 预裂爆破基本理论及主要参数的理论确定

4.1 爆破基本理论分析

4.1.1 无限介质中爆炸破坏机理

4.1.2 煤岩体中柱状药包爆破产生的爆炸载荷

4.1.3 爆炸载荷作用下的破坏准则

4.1.4 条形(柱状)药包爆破波作用区域的理论

4.2 影响爆破的主要因素分析

4.3 N2105工作面预裂爆破材料确定

4.4 顶板弱化合理高度确定

4.5 N2105工作面预裂爆破其它参数的理论确定

4.6 本章小结

第五章 顶板预裂效果的数值模拟研究

5.1 UDEC介绍

5.2 UDEC模拟岩体节理的基本方法

5.3 数值模型的建立

5.4 模拟结果及其分析

5.5 本章小结

第六章 顶板深孔预裂爆破方案及爆破效果分析

6.1 顶板深孔预裂爆破方案

6.1.1 炮孔布置

6.1.2 炮孔旌工

6.1.3 炮孔爆破工艺

6.2 顶板预裂效果分析

6.2.1 放炮前后支架阻力统计分析

6.2.2 爆破期间有害气体监测

6.2.3 N2105工作面与未预裂工作面矿压显现特征对比

6.2.4 初采期间瓦斯浓度对比

6.2.5 顶煤回收效益分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录A:攻读硕士期间发表的学术论文

附录B:攻读硕士期间参与的科研项目

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摘要

坚硬顶板强度高,节理、裂隙不发育,具有整体性好和自稳能力强等特点,在开采过程中容易形成大面积悬顶,特别是回采初期悬顶面积更大。在该顶板条件下采用综放开采,初采期间由于采空区顶板不能及时垮落,极易导致顶煤破碎、支架不接顶、移架困难及工作面漏风。突然大面积垮落时,又会对支架造成大的冲击性破坏;同时将采空区内的有害气体瞬间挤出,极易导致工作面瓦斯超限。因此,现场为防止这种大面积来压隐患,初采期间往往不回收顶煤,资源浪费严重。因此,在坚硬顶板煤层开采过程中,有必要将顶板进行弱化,使其能够及时垮落,从而保证工作面的安全生产,并提高资源回收率。
  研究表明我国煤层赋存条件复杂,在我国有一半以上的矿区存在坚硬顶板的威胁,可见属于坚硬顶板的煤层相当普遍。就目前综采工作面中也有38%的属于坚硬顶板。目前,坚硬顶板爆破弱化技术大多依靠经验,而从理论上对顶板弱化技术进行系统研究的还不多。
  本文以余吾煤业N2105工作面为主要研究对象,采用实验室物理力学试验、理论分析、数值模拟计算和现场实践等方法,对坚硬顶板开切眼深孔预裂爆破理论和实践进行了系统的研究。主要内容和结论如下:
  (1)通过矿井的实地调研和资料搜集,掌握在余吾煤业生产条件下采空区处理方法、顶板控制管理技术,为项目研究提供基础资料。在此基础上,对N2105工作面煤层及顶、底板进行物理力学性质试验研究,掌握N2105工作面煤层及顶、底板岩石的物理力学参数。N2105工作面老顶的单轴抗压强度107.96MPa,抗拉强度5.77 MPa,属坚硬顶板,工作面初采期间,易形成大面积悬顶。因此有必要提前弱化顶板,保证工作面生产安全。。
  (2)在实验室所得岩石力学参数的基础上,理论分析N2105坚硬顶板工作面开采的矿压显现规律以及安全隐患,并选取开切眼深孔预裂的方法来弱化N2105工作面顶板。
  (3)在实验室所得岩石力学参数的基础上,通过理论计算N2105工作面深孔预裂的主要参数。本次爆破选用煤矿许用三级乳化炸药,药卷直径60mm,炮孔直径75mm,炮孔间距7m,垂直深度15.2m,炮孔仰角45°,炮眼深度21.5m,连续不耦合装药,不耦合系数1.25,每个炮孔装药量为45kg,一次装药,每次起爆三个炮孔。
  (4)使用UDEC软件分别数值模拟余吾煤业N2105工作面未切顶与爆破切顶两种情况下顶板初次垮落情况。工作面未切顶时,直接顶初次垮落步距为21m,基本顶初次来压步距45m;工作面切顶后,直接顶初次垮落步距变为12m,基本顶初次来压步距变为33m,且初次来压强度明显降低。
  (5)根据以上结论制定出合理的开切眼深孔预裂方案,并根据现场经验编制了合理的爆破工艺。最后进行现场实践。实践表明,采用该研究成果,有效预防了工作面回采初期顶板大面积来压造成的隐患;同时,提前回收了顶煤,经济、安全效益显著,为类似条件下的综放工作面开采提供了借鉴。

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