【摘 要】
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目前煤炭仍是我国主要能源,而煤的开采继续向深部延伸,面对低透突出含瓦斯煤层,瓦斯灾害防治成为治理难题,瓦斯抽放是瓦斯防治的主要措施之一,但传统的瓦斯抽放技术对于低透突出煤层效果较差,因此,在传统的煤层增透技术上开展一种新型增透技术研究。根据静态膨胀剂在石材开采、露天边坡、建筑物等方面的应用原理,提出了利用静态膨胀剂开裂低透突出煤层的新技术。论文采用了理论分析、实验研究和数值模拟结合的方法。基于静态
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“深部矿井低透突出煤层膨胀生裂增透机理及应用研究”(No.51264004);
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目前煤炭仍是我国主要能源,而煤的开采继续向深部延伸,面对低透突出含瓦斯煤层,瓦斯灾害防治成为治理难题,瓦斯抽放是瓦斯防治的主要措施之一,但传统的瓦斯抽放技术对于低透突出煤层效果较差,因此,在传统的煤层增透技术上开展一种新型增透技术研究。根据静态膨胀剂在石材开采、露天边坡、建筑物等方面的应用原理,提出了利用静态膨胀剂开裂低透突出煤层的新技术。论文采用了理论分析、实验研究和数值模拟结合的方法。基于静态膨胀剂作用机理、裂隙孔的破坏力学等理论,系统研究了不同布孔方式下其裂隙变化规律,建立了包含不同孔径、不同孔距、不同排距下的实验模型,并选用颗粒流离散元PFC软件进行数值模拟研究。主要研究成果如下:(1)结合静态膨胀剂破岩机理、弹塑性力学以及断裂钻孔对裂隙发育进行力学分析。理论分析得出:单孔破碎裂隙沿最小抵抗面方向延伸,生成3-4条主裂隙;多孔破碎时,各孔产生的膨胀压相互作用,膨胀压力叠加作用于孔轴心连线上。(2)建立了腔体内部尺寸为1500 mm×1500 mm×1500 mm的物理实验平台,通过设计不同方案分析自由面、钻孔孔径以及孔间距对静态膨胀剂开裂煤体的裂隙发育规律研究。实验结果证明:煤体中自由面越多、孔径越大、孔间距越小,产生的裂隙条数越多,膨胀剂起裂时间越短,贯通裂隙越多;在一次膨胀基础上对控制孔注入膨胀剂,对煤样进行二次膨胀,最终在钻孔间形成大量交叉裂隙网。(3)基于物理实验结果,借助离散元理论知识,利用PFC2D进行数值模拟,建立双孔膨胀模型和微差爆破模型,分析了双孔膨胀中孔间距对裂隙发育过程的影响以及钻孔周围的应力变化;基于微差爆破模型,设计不同方案研究布孔方式和孔径等对开裂效果的影响。结果表明:钻孔周围应力与膨胀压的生成和衰减保持一致性,且离钻孔位置越近,应力峰值越大;孔径越大,越有利于裂隙发育、扩展和贯通。在同一孔径下,方案三的开裂效果最好。微差爆破验证了物理实验中实施二次膨胀有利于裂隙扩展和贯通,改善煤体开裂效果,增加煤层透气性。
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