静态破碎剂弱化致裂煤层坚硬顶板实验研究

发布时间：2020-04-21 19:29

【摘要】：我国煤层地质条件比较复杂,全国一半以上矿区的煤层顶板为坚硬顶板。坚硬顶板的岩性一般为砂岩、石灰岩或其它更硬的岩石,具有高强度,高完整性,低裂隙发育的特点。随着采煤工作面推进,采空区易形成大面积的顶板悬浮,短期内不易自然垮落。如果采空区顶板长时间不垮落,采煤工作面的矿山压力将高度集中,采空区顶板将在高应力下发生剪切破裂。大面积悬空顶板的坍塌不仅会造成冲击压力,还容易造成瓦斯事故。为降低坚硬顶板带来的危害,本文提出了以静态破碎剂(SCA)为核心的静态爆破致裂技术,实现了坚硬顶板的有效弱化。在钻孔有限空间及围岩制约等因素影响下,静态破碎剂依靠自身长时间的稳定反应,通过膨胀应力持续弱化顶板岩层,使得岩层内部产生张拉破坏并诱发内部裂纹的产生与扩展,直至贯通形成宏观裂隙,达到弱化致裂煤层顶板的目的。本文首先研究并总结了静态破碎剂的膨胀原理及弱化过程,利用核磁共振技术对静态破碎剂反应过程中微观水信号的转移过程进行了分析,且从微观孔隙角度揭示了破碎剂的“喷孔问题”。为了更好的应用静态破碎剂,对静态破碎剂的基本性能进行了研究,开展了静态破碎剂的材料性能和膨胀性能实验,对卷装药剂的吸水率进行了研究,以及对静态破碎剂的膨胀应力进行测定。开展了不同切槽角度下静态破碎剂弱化致裂性能研究。为研究不同切槽角度的装药孔对煤层顶板岩石裂纹动态扩展行为的影响,运用静态应变仪和声发射分别监测破裂过程中内部非线性变形和裂纹扩展及其能量释放过程。对断裂面上的裂隙分布进行定量特征化,揭示了不同切槽角度下静态破碎剂对煤层顶板的弱化致裂机制。开展了三轴围压下静态破碎剂弱化致裂性能研究。通过采用三轴加载系统模拟原岩应力状态,利用声发射和应变动态监测静态破碎剂反应过程中试样内部断裂过程,结合统计分析理论,绘制裂隙发育过程及裂隙空间分布,根据声发射的空间定位点图,将静态破碎剂作用下裂隙发育过程进行可视化。基于超声检测技术得出的试样反应前后的缺陷图来分析试样静态破碎过程中的逾渗特征,揭示了三轴围压下试样的断裂过程。最后,根据实验和数值模拟结果对卷装静态破碎剂的井下应用进行了展望。结合实验研究对静态破碎技术参数进行了设计,尤其对装药孔形状及布置进行了探究,以实现静态破碎剂弱化致裂顶板的可控性。对装药原则、井下施工过程、工程注意事项及安全技术措施进行了阐述,为井下应用提出了具体可行方案。
【图文】：

技术路线图

图 2-1 静态破碎剂破碎机理ure 2-1 The crushing mechanism of soundless cracking 积膨胀并在反应开始时形成胶体 Ca(OH)2。 Ca(OH)2晶体颗粒，体积膨胀两倍[62]，形成122MPa。当氧化钙变为氢氧化钙时，晶体从立，比表面积增加 100 倍左右。当体积膨胀产生裂[63]，，膨胀机理如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD327.2

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本文编号：2635648