超前深孔预裂爆破弱化顶板技术研究与应用.pdf

◎ 分类号T D 3 2 3 单位代码10 3 6 I 论文题目超前深孔预裂爆破弱化顶板技术研究与应用 作者姓名 专业名称 导师姓名 完问d 对问 刘宏伟 建筑与土木工程 赵士兵正高工、傅菊根教授 2 0 17 年6 月 万方数据 中图分类号 学科分类号 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 超前深孑L 预裂爆破弱化顶板技术研究与应用 作者姓名划宏值 专业名称建篁皇本王程 研究方向爆破工程 导师姓名赵兵正高王 使蕴报教授 导师单位主煤芷建集团 答辩委员会主席陆鹏堂教授级高王 论文答辩日期2 0 1 7 年0 6 月0 3 日 安徽理工大学研究生院 2 0 1 7 年0 5 月3 0 日 万方数据 l I I III II II I I I LI II I IIIIIII l t l l l Y 3 2 3 6 6 9 2 AD i s s e r t a t i o ni nA r c h i t e c t u r ea n dc i v i le n g i n e e r i n g R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fD e e pH o l eA d v a n c eB l a s t i n g W e a k e n i n g R o o fT e c h n o l o g y C a n d i d a t e L i uH o n g w e i S u p e r v i s o r P r o ．F uJ u g e n P r o ．Z h a oS h i b i n g S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，T a i f e n gA v e n u e ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徵堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名兰』塞丛日期堡] _ 年j 月』日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理工大堂有保留、使用学位 论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属于窆邀理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名赳宏体签字日期加r 1 年‘月I 牛日 导师签名走步雩 签字日期．州午㈣t 日 万方数据 摘要 摘要 于现今阶段，煤炭在中国的能源需求领域内仍占有比较大的份额，煤炭依然 是我国的一种重要能源，煤炭能源在中国的经济发展中有着举足轻重的地位。然 而，人们始终面临着许多煤炭开采过程中产生的许多困难问题，如瓦斯泄露危害 工人生命安全、矿压过大压坏支护设施、悬顶塌落等问题严重影响了正常开采工 作。 本文以崔木煤矿2 13 0 3 综放工作面为研究背景，建立顶板破断模型，以理论 分析为基础、辅以计算机数值模拟的方法对崔木煤矿2 1 3 0 3 工作面顶板破断规律 研究及其对工作面矿山压力显现的影响研究。最终应用于实际2 1 3 0 3 工作面，在 对工作面正常回采影响最小下，确定合理的爆破循环步距，并采用理论分析的方 法，对超前深孔爆破合理参数进行深入研究，以实现将原来的难冒顶板转化成可 冒或易冒顶板，改善工作面开采条件，实现顺利回采的目的。爆破技术主要是超 前预裂爆破弱化技术，通过实例证明爆破参数的合理性。结果证明，实施超前深 孔预爆破后，降低了工作面支架载荷与动载系数，特别是工作面中部支架荷载降 低幅度较大，顶板的周期垮落步距明显降低，液压支架能完全适应顶板的周期性 跨落。崔木煤矿2 1 3 0 3 工作面超前深孔爆破预裂方法处理厚硬顶板，减少了顶板 的跨落步距，降低了工作面支架载荷与动载系数，减少了顶板冒落块度、降低了 大块率，有效地防止了工作面顶板大面积悬露和灾害性跨落，保证了液压支架的 安全使用及2 1 3 0 3 工作面的安全顺利回采，保证了工作面的正常推进，而且为崔 木煤矿2 1 3 0 3 工作面厚硬顶板处理提供科学依据。 图[ 3 6 】表[ 7 ] 参[ 5 2 】 关键词顶板，破断规律，预裂爆破 分类号T D 3 2 3 ； 万方数据 A b s t r a c t A b s 仃a c t I nt h ep r e s e n ts t a g e ．e n e r g yd e m a n di nt h ef i e l do fC h i n ac o a li ss t i l lar e l a t i v e l y l a r g es h a r e ，c o a li sa ni m p o r t a n te n e r g ys o u r c ei nC h i n a , p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n to fc o a le n e r g yC h i n e s e ．H o w e v e r ，p e o p l ea l w a y sf a c eal o to f c o a lp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fm a n yd i f f i c u l tp r o b l e m s ，s u c ha sg a sl e a k a g eh a r mt h e s a f e t yo fw o r k e r s ，m i n ep r e s s u r ei st o ol a r g et oc r u s ht h es u p p o r t i n gf a c i l i t i e s ，h a n g i n g r o o fc o l l a p s ea n do t h e ri s s u e sh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h en o r m a le x p l o i t a t i o no ft h e w o r k ． I nt h i sp a p e r , C u iM uc o a lm i n e213 0 3f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ea st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ee s t a b l i s h m e n to fr o o fb r e a k i n gm o d e l ，b a s e do nt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw i t hc o m p u t e rt oC u iM uc o a lm i n e2 13 0 3 w o r k i n gf a c er o o fb r e a k i n gr u l ea n d e f f e c to fp r e s s u r eb e h a v i o ro fm i n ew o r k i n gf a c e ． F i n a l l ya p p l i e di n2 13 0 3w o r k i n gf a c e ．N o r m a lm i n i n go fw o r k i n gf a c eu n d e rt h e i n f l u e n c eo ft h em i n i m u m ，t od e t e r m i n et h er e a s o n a b l eb l a s t i n gc y c l es t e pd i s t a n c e ， a n du s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d ，i n - d e p t hs t u d yo ft h ea d v a n c e da n d r e a s o n a b l ep a r a m e t e r so fd e e ph o l eb l a s t i n g ，i no r d e rt oa c h i e v et h eo r i g i n a lr o o f d i f f i c u l tt oc a v ei n t ot a k i n go re a s i l yf a l l i n gr o o f , i m p r o v et h em i n i n gc o n d i t i o n s ，t o a c h i e v et h es m o o t hT h em a i np u r p o s eo ft h eb l a s t i n gt e c h n o l o g yi st or e d u c et h ep r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n o l o g y ，a n dt op r o v et h er a t i o n a l i t yo ft h eb l a s t i n gp a r a m e t e r s t h r o u g ha ne x a m p l e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g yh a s a c h i e v e dg o o dr e s u l t s ． F i g u r e 【3 6 】t a b l e [ 7 】r e f e r e n c e [ 5 2 】 K e y W o r d s r o o f ；F r a c t u r el a w ；a d v a n c e db l a s t i n g ． C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 2 3 I I 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 厚硬顶板弱化技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 深孔预裂爆破技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 数值模拟技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 研究的主要内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 岩体爆破弱化理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 岩体爆破弱化理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 ．1 爆破弱化理论假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．2 岩石破碎理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2 应力波传播特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．1 应力波波动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．2 波的传播特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．2 ．3 波的衰减分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．3 卸压范围分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 。1 不同装药条件下爆炸应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．3 ．2 裂隙区和粉碎区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 3 崔木矿2 1 3 0 3 工作面地质及开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．1 工作面地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．1 ．13 4 煤层顶底板情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1 。2 地质构造情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 3 ．1 - 3 水文地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．2 工作面开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 厚硬顶板破断规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 I I I 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．1 厚硬顶板破断规律的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 初次来压步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 周期来压步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 初次来压步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 周期来压强度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．6 合理爆破循环步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 超前深孔预裂爆破炮孔参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．1 超前深孔预裂爆破基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．2 小孔径和大孔径深孔预裂爆破效果比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 炮孔布置方式及参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．1 炮孔布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3 ．2 炮孔布置参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．3 装药量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 效果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．1 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 I V 万方数据 C o n t e n t s A b s t r a c t C h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t E n g l i s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．1 1 ．1R e s e a r c hb a c k g r o u n d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 R e s e a r c hs t a t u so f t h i c ka n dh a r dr o o f w e a k e n i n gt e c h n o l o g y ⋯⋯一2 1 ．2 ．2R e s e a r c hs t a t u so fd e e ph o l ep r es p l i a i n gb l a s t i n gt e c h n o l o g y ⋯⋯．6 1 ．2 ．3R e s e a r c hs t a t u so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3R e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 W e a k e n i n gT h e o r yo fr o c kb l a s t i n g ⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 W e a k e n i n gT h e o r yo fr o c kb l a s t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．1 ．1 T h e o r yo fb l a s t i n gw e a k e n i n gh y p o t h e s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．1 ．2R o c kf r a g m e n t a t i o nt h e o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2P r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sw a v e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．1S t r e s sw a v ee q u a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．2 A n a l y s i so f w a v ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．2 ．3W a v ea t t e n u a t i o na n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．3 A n a l y s i so f p r e s s u r er e l i e f r a n g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．3 ．1A n a l y s i so fe x p l o s i v es t r e s su n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s ．．．2 7 2 ．3 ．2F r a c t u r ez o n ea n dc r u s hz o n ea n a l y s i s ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．4 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 G e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dm i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n so f2 13 0 3w o r k i n gf a c e i nC u ih em i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．1G e o l o g i c a lc o n d i t i o no f w o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．1 ．1 3 群c o a ls e a mr o o f a n df l o o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 3 ．1 ．2 G e o l o g i c a ls t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．1 ．3 H y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 V 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2T e c h n i c a lc o n d i t i o no f w o r k i n gf a c em i n i n g ⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．3 6 4A n a l y s i so nt h eb r e a k i n gl a wo f t h i c ka n dh a r dr o o f ．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯3 9 4 ．1T h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eb r e a k i n gl a wo f t h i c ka n dh a r dr o o f ．⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2C a l c u l a t i o no ff i r s ts t e p ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．3P e r i o d i cp r e s s u r es t e pc a l c u l a t i o n ⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4C a l c u l a t i o no ff i r s ts t e p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．5C y c l i cc o m p r e s s i v es t r e n g t hc a l c u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．6C a l c u l a t i o no fr e a s o n a b l eb l a s t i n gc y c l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．7S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 D e s i g no fb l a s t i n gp a r a m e t e r sf o ra d v a n c e dd e e ph o l ep r es p l i t t i n gb l a s t i n g ．．．51 5 ．1T h eb a s i cp r i n c i p l eo f a d v a n c e dd e e ph o l ep r es p l i R i n gb l a s t i n g ⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2C o m p a r i s o no fd e e ph o l ep r es p l i t t i n gb l a s t i n gw i t hs m a l la p e r t u r ea n d l a r g ed i a m e t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．3L a y o u ta n dp a r a m e t e rd e s i g no fb l a s th o l e ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 ．1H o l el a y o u t ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 ．2H o l el a y o u tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3C h a r g eq u a n t i t y ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4E f f e c ta n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．5S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯。⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6S u m m a r ya n d P r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．6 7 6 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．1D e f i c i e n c ya n d P r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 R e f e r e n c e ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．7 3 A b o u tt h ea u t h o r ．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 V I 万方数据 1 绪论 1 ．1 研究的背景 1绪论 煤炭资源是世界上储量比较丰富的能源矿产资源之一，世界煤炭储量十分丰 富，居各能源之首，约占各种能源总储量的9 0 ％，按规模可持续开采3 0 0 年左右。 据第1 4 届世界能源会议资料 1 9 8 9 年 ，世界煤炭总资源量约为1 4 ．3 万亿吨， 1 9 9 1 年底探明储量1 0 4 0 5 ．2 9 亿吨，第十一届世界能源会议估计，世界煤炭预测储 量为1 3 ．6 万亿吨，其中对中国预测储量的估计偏低，为1 4 6 5 0 亿吨。中国1 5 0 0 m 深度内的预测储量为3 2 0 0 0 亿吨。据世界能源委员会发表的 1 9 9 2 年世界能源资 源调查，1 9 9 0 年末世界煤炭可采储量为1 0 3 9 1 ．8 亿吨。中国1 9 9 1 年末煤炭探 明储量为9 6 6 7 亿吨，其中中国是世界上煤产量最高的国家。中国的煤炭资源在世 界居于前列，仅次于美国和俄罗斯。 我国不仅煤炭储量丰富，并且一直以来支撑着国民经济的发展，连续多年以 来，我国的化石燃料产量雄踞世界前列，尤其是煤炭产量多年世界第一，可以说 煤炭是我们国家能源安全的保证和经济发展的推进器。尤其是进入新世界以来， 以人为本的思想体现在各个领域，如何实现煤炭的安全生产变得越来越重要，安 全问题一直伴随的整个煤炭行业的发展。煤矿安全事故种类繁多，事故成因复杂， 尤其是地下煤矿，相比于露天煤矿更是事故多发地。其中，可能危害最大的也可 以说是煤矿事故的一大“特色”，就是瓦斯爆炸，其他诸如火灾、水灾等事故也 是非常危险的，随时可能带走工人生命并造成巨大损失，所幸以上事故所占比例 较小，煤矿生产中更多见的或许就是顶板事故了。据统计【1 】，在2 0 0 1 年至2 0 1 1 年这十年期间，顶板事故在煤矿事故总数里占最多，达到了5 3 ．8 ％，因顶板事故 导致的死亡人数占死亡总人数的3 6 ．6 ％。顶板事故多发，特别是在煤炭开采过程 中遇到复杂情况顶板不仅厚度大强度又高的坚硬顶板，煤炭被开采之后会有采 空区，而在采空区的上方比较容易形成大面积悬顶，悬顶一旦跨落就可能造成事 故，轻则毁坏设备重则危害人生命安全和影响正常开采工作。普遍而言，坚硬顶 板岩层的分层岩体厚度大而且抗拉强度和弹性模量都很高，分层厚度有5 - 6 m 不 等，较厚的可能会达到l O m 以上。如果仍其自由发展不采取控制措施，悬露面积 会越来越大，数字大到惊人几万平米甚至是十几万平米，而且这么大的悬顶难以 在短时间内垮落。更令人头疼的是岩石的单向抗压强度可以达到I O O M P a 或更大。 厚硬项板还有其他如节理裂隙不发育，分层不甚明显的特点。 有效地控制厚硬项板是煤矿采场围岩控制的一项核心内容。我国的煤矿不同 1 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 于其他国家，煤层赋存的条件相对复杂，可以说有相当大一部分的矿区都经历着 厚硬顶板的威胁，在我国的许多矿区如大同、淮南、新疆等都发生过顶板大面积 冒落而导致的安全事故，这些顶板事故不仅给国民经济造成了损失也极大地危害 了人生安全。就现存的综采工作面而言，坚硬顶板比例达到了3 8 ％【2 】，具有厚硬顶 板初次来压强烈现象的顶板达到了4 0 ％E 3 1 。国内外在坚硬顶板领域内存在着不少问 题，其中煤壁片帮严重，液压支架阻力较小，支护结构失稳等较为常见。由于整 个岩体运动中，主要由不仅厚度大而且坚硬的岩层起到控制作用；同时坚硬的厚 层岩层也承担了覆岩的大部分自重荷载，所以厚硬岩层它的稳定状况直接影响着 整个开采上覆岩层【4 】。厚硬顶板给煤矿生产带来了威胁，探究厚硬顶板的断裂规 律，掌握厚硬顶板的处理方法，是煤矿安全生产的重要保证。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 厚硬顶板弱化技术研究现状 现阶段国内外技术较为成熟的几种厚硬项板弱化技术 1 ．注水弱化坚硬顶板法 水不仅可以改变土的性质，也可以改变岩石的形态。主要体现在水能够改变 岩石内部的结构强度和变形特性。这是因为水可以侵入岩石内部，不但改变了内 部颗粒的表面能还可以使颗粒的强度降低。因此，岩石强度降低与否，很大程度 上市取决于组成岩石的组分。组分的亲水性、含水量以及理化性质不同决定了岩 石强度不同。 1 顶板静压预注水弱化法 顶板静压预注水【5 叫是先在工作面或者回风巷道内朝顶板打适当深孔，然后经 过深孔把水灌入顶板内部来提高顶板含水量，利用水可以改变岩体性质的办法达 到降低顶板岩体强度的目的，从而弱化顶板，减小垮落步距。但此法有较大局限 性，顶板岩石吸水性较强或很强、并且岩体强度会随含水量升高而明显降低时才 适用，否则就不具有可操作性。 2 顶板高压注水弱化法 顶板高压预注水[ 7 - 8 ] 是先在工作面或者回风巷道内朝顶板打适当深孔，然后经 过深孔向顶板内部进行高压注水，一些顶板岩体中的胶结物和可溶矿物会溶解在 高压水重，层间粘接力变小。高压水对顶板还有压裂的效果，原有的裂隙和弱面 万方数据 l 绪论 在高压水的作用下会扩大。注入的高压水还可以在节理、层理、裂隙间渗流，和 岩石内部矿物发生化学反应，因此能够降低岩石强度，达到弱化顶板的目的。如 图1 与图2 所示。值得一提的是此法在国内还在试验阶段，而其他国家，像波兰、 澳大利亚等已经熟练使用此法。而且只有顶板为一般坚硬难垮的厚砂岩、砂砾岩、 厚砾岩以及石灰岩才适用，但存在地质破坏带的区域或顶板岩体为硬岩层的使用 效果并不理想。 似雠 1 f j 图1 单一孔注水布置方式 F i g u r e1O n e f o l da p e r t u r ew a t e r i n g ⋯⋯li 。、盼l 、㈨～ ／／／／／／／／ 图2 双孔注水布置方式 F i g u r e2T w o f o l da p e r t u r ew a t e r i n g 2 ．爆破弱化坚硬顶板法 强制放顶是利用人为爆破方法破坏目标顶板完整性，将难冒落顶板变为可或 易冒落顶板。矸石也会随之下落在采空区，形成一个巨大的矸石垫层。矸石垫相 当于一个缓冲层，用来减小顶板垮落时的冲击强度和顶板大面积垮落时产生的冲 击低压。目前，强制放顶的主要方法有 1 循环式浅孔强制放顶法 循环式浅孔强制放顶法【9 】是每经过一、二个循环，就沿着目标切项边缘使用 电钻朝顶板钻取适当深孔，装药并爆破，人为方式破坏顶板完整性。如图3 所示。 电钻一般为岩石电钻，钻孔有大小2 种。该法在厚硬项板悬项较大时才采用因为 它严重影响正常生产，迫使工作面停产以用来钻孔，所以并一般不在高速推进的 综采面中使用此法。另外，大量瓦斯气体可能存在于采空区内，贸然爆破有发生 3 鸟 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 瓦斯爆炸的危险，引发安全事故。 蔫彩娩．弋 图3 沿切顶边缘向顶板钻孔爆破 F i 9 3A l o n gt h et o pe d g eo f t h er o o f t ot h eh o l eb l a s t i n g 2 步距式深孔强制放顶法 步距式深孔强制放顶法【1 0 】是每次尽可能在顶板周期来压前就已经沿着切顶 线钻2 至3 排适当深孔，方向是朝着采空区。理想情况是顶板完整性破坏并且会 在装药爆破后产生一定的沟槽，坚硬顶板会沿着爆破后形成的沟槽折断。项板是 被切断而不是大面积的垮落。但是此法和前者一样需要停止工作面的生产以方便 钻孔，也会对日常生产产生影响。 3 平巷内深孔强制放顶法 平巷内深孔强制放顶法【1 l 】是利用专用巷道或回 进 风巷向顶板打平行于工 作面的深钻孔 图4 ，和前两种方法相比，平巷内深孔强制放顶法对生产产生 的影响较小。如果条件允许利用注水孔进行爆破，此法海可以与注水弱化法结合 使用，采空区顶板的自由面此时的利用可以达到最大，使爆破效果增强。由于钻 孔较前两种钻孑L 较深，所以对钻孔设备另有要求。同样地，在采空区进行爆破易 发生安全事故同时也会严重影响生产。 4 万方数据 l 绪论 图4 平巷内钻平行工作面深孔爆破放顶 F i 9 4P a r a l l e lw o r k i n gf a c ei nd r i f td r i l lh o l eb l a s t i n gc a v i n g 3 地面钻深孔强制放顶法 地面钻深孔强制放顶法[ 1 2 - 1 3 】当井下有无法进入的大量坚硬岩层悬顶或遗留煤 柱区，悬顶或遗留煤柱区距离地表较浅，并且要求地面有相应的钻孔施工条件， 此时，可以直接在地面垂直钻孔，钻孔必须达到目标位置后爆破放顶，顶板通过 此法将在采空区在采空区上方被切断，顶板被切断后将会发生大面积悬顶崩落。 因为要在地面钻孔，所以此法只在一些浅埋矿井中使用，对于埋深较大的矿井并 不适用。 4 超前深孔预裂爆破法 超前深孔预裂爆破、法【1 4 - 1 6 ] 选在综采工作面前方的特殊位置或工作面上、下风 巷里，以一定距离一定间距向坚硬顶板内钻深孔，然后装药进行松动爆破。如图 5 那些未受到采动影响的原岩体内部，在爆破后会形成破碎区和裂隙区，岩体整 体性由此而破坏，岩体内原就具有的裂隙或弱面也会随之扩大，从而使顶板弱化。 随着综采工作面推进，在