課題名稱：
厚硬頂板高壓預(yù)注水弱化機(jī)理研究碩士畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告
學(xué)科專業(yè)： 巖土工程
1 課題來(lái)源、選題依據(jù)背景情況、課題研究目的、國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)、水平、存在問(wèn)題，并附主要參考文獻(xiàn)：
1.1 課題來(lái)源
淮南礦區(qū)已進(jìn)入深部開(kāi)采，厚硬頂板難冒問(wèn)題突出，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為此，淮南礦業(yè)集團(tuán)高度重視，2011年組織集團(tuán)公司工程技術(shù)人員到山西等多個(gè)礦業(yè)集團(tuán)考察，并邀請(qǐng)相關(guān)科研單位論證分析淮南礦區(qū)綜采面壓架機(jī)理，并決定聯(lián)合有關(guān)科研單位開(kāi)展“煤與瓦斯突出煤層綜采工作面頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)”研究。
1.2 選題依據(jù)背景情況
煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)一次能源構(gòu)成中煤炭約占70%左右。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，國(guó)家對(duì)煤炭等能源需求量越來(lái)越大。2008年我國(guó)原煤產(chǎn)量為28億噸，2009年原煤產(chǎn)量29.6億噸，2010年原煤產(chǎn)量超過(guò)30.0億噸，2011年原煤產(chǎn)量為35.2億噸，預(yù)計(jì)2013年原煤產(chǎn)量將達(dá)到37.9億噸。我國(guó)煤炭淺部資或賦存條件相對(duì)簡(jiǎn)單資源日益減少，煤礦相繼進(jìn)入深部開(kāi)采期，隨之而來(lái)就面臨著厚硬頂板控制問(wèn)題。厚硬頂板由于整體性好、強(qiáng)度高，難于冒落，如不及時(shí)采取強(qiáng)制處理，將形成采空區(qū)大面積懸頂。大面積懸頂一旦垮落，一方面由于巖層折斷時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈動(dòng)載荷會(huì)損壞或推倒大量工作面支架，從而頂板常沿煤壁切斷造成工作面垮冒事故;另一方面，采空區(qū)積存的大量高濃度瓦斯氣體，沿風(fēng)巷、機(jī)巷涌出，造成瓦斯超限，并形成破壞力很強(qiáng)暴風(fēng)，在風(fēng)暴所經(jīng)過(guò)之處，其強(qiáng)烈的沖擊作用，摧毀結(jié)構(gòu)。采工作面及其鄰近巷道中的支架、風(fēng)門(mén)和磚墻密閉，甚至使礦車(chē)翻倒，軌道彎曲，對(duì)井下人員及設(shè)備造成嚴(yán)重的危害。例如，潘一礦1402(3)(壓架2套)、潘一礦1602(3)、潘三礦17110(3)(壓架2套)等多個(gè)工作面壓架和出水現(xiàn)象，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為此，淮南礦業(yè)集團(tuán)2011年組織集團(tuán)公司工程技術(shù)人員到山西等多個(gè)礦業(yè)集團(tuán)考察，并邀請(qǐng)相關(guān)科研單位論證分析淮南礦區(qū)綜采面壓架機(jī)理，并決定聯(lián)合有關(guān)科研單位開(kāi)展“煤與瓦斯突出煤層綜采工作面頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)”研究。
1.3 課題研究目的
以往煤層強(qiáng)制放頂爆破采用的是常規(guī)炸藥，炸藥爆破過(guò)程的重要特性是炸藥通過(guò)高速的化學(xué)反應(yīng),在裝藥孔壁上產(chǎn)生巨大的氣體壓力，使周?chē)慕橘|(zhì)破壞和破碎。但它存在著施工量大;炸藥消耗大、污染井下空氣，存在一定的危險(xiǎn)性，稍微不慎可能會(huì)造成瓦斯爆炸、煤層坍塌等重大問(wèn)題。壓力注水弱化頂板法就是在工作面預(yù)先向頂板鉆孔注壓力水，利用水對(duì)巖體的壓裂和軟化作用，破壞頂板的完整性和降低頂板巖石強(qiáng)度，當(dāng)工作面采過(guò)后，頂板可正�？迓洌瑴p小來(lái)壓對(duì)工作面的威脅。壓力注水法具有改變頂板力學(xué)特性，變難冒為易冒，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤，提高資源回收率;同時(shí)可降低工作面粉塵含量，改善勞動(dòng)環(huán)境;注水與回采作業(yè)平行，預(yù)先釋放部分瓦斯等優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
1.4 國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)、水平、存在問(wèn)題
我國(guó)厚硬頂板控制的研究始于60年代，已有近50年歷史，處于世界領(lǐng)先的地位，在生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
靳鐘銘、徐林生、錢(qián)鳴高等通過(guò)對(duì)厚硬頂板的研究，較全面地分析了厚硬頂板采場(chǎng)礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律、采場(chǎng)來(lái)壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、厚硬頂板采場(chǎng)支架受力分析、厚硬頂板的處理方法等;
王開(kāi)，康天合等對(duì)堅(jiān)硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長(zhǎng)度進(jìn)行了研究，提出了厚硬頂板合理的冒落步距計(jì)算方法;
靳鐘銘[2]根據(jù)大同礦務(wù)局的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，在總結(jié)其他人的研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)頂板注水弱化的方法做了系統(tǒng)的闡述和分析。
陳榮華等[34][35]采用REPA2D軟件對(duì)注水軟化厚硬頂板(關(guān)鍵層)做了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：隨軟化系數(shù)的減小和軟化厚度的增加，上覆巖層初始冒落步距及來(lái)壓顯著減�。喝艉裼矌r層巖樣本身能被注水軟化，而實(shí)際采場(chǎng)由于地質(zhì)構(gòu)造及開(kāi)采工藝的影響未必適宜單獨(dú)采用注水軟化法，可選用其他弱化厚巖層的方法，或注水軟化法與其他弱化方法共同使用，從而有效控制采場(chǎng)礦山壓力。
寧宇[36]等采用了有限元計(jì)算和模型試驗(yàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板注水工作面礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究。強(qiáng)調(diào)頂板注水后，頂板巖體發(fā)生塑化，改變了頂板巖層中的應(yīng)力分布和頂板變形位移特征。頂板巖層中的拉、壓力峰值轉(zhuǎn)移到了采區(qū)上方的懸頂中，從而有利于頂板在采空區(qū)上方斷裂并分層次垮落，減小巖層折斷時(shí)對(duì)支架的沖擊載荷和傳力系數(shù)，減小頂板來(lái)壓強(qiáng)度，從理論上進(jìn)一步說(shuō)明了向頂板高壓注水是控制堅(jiān)硬難冒頂板的有效技術(shù)途徑。
以上研究從模擬或?qū)嶒?yàn)上對(duì)注水后巖體發(fā)生的變化進(jìn)行了分析，或從宏觀上對(duì)注水軟化上的機(jī)理進(jìn)行了闡述，而從微觀上對(duì)高壓水注水的機(jī)理研究分析的較少。
1.5 主要參考文獻(xiàn)
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2 課題的主要內(nèi)容，擬解決的主要技術(shù)問(wèn)題，在理論和應(yīng)用方面的意義，完成課題的條件(包括個(gè)人業(yè)務(wù)水平、所在系或?qū)W科組的技術(shù)、設(shè)備條件)和擬采取的技術(shù)措施和辦法：
2.1 課題的主要內(nèi)容，擬解決的主要技術(shù)問(wèn)題，在理論和應(yīng)用方面的意義
本項(xiàng)目擬在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的綜合研究方法，開(kāi)展對(duì)淮南礦區(qū)煤與瓦斯突出煤層厚硬頂板綜采面高壓預(yù)注水弱化砂巖頂板技術(shù)研究，使堅(jiān)硬頂板弱化，使難冒頂板轉(zhuǎn)化為可冒落頂板，改善堅(jiān)硬頂板的冒落性，減少采空區(qū)的懸頂面積，從而減輕周期來(lái)壓對(duì)工作面支架的影響，保證本工作面的安全順利回采。主要研究?jī)?nèi)容如下：
(1)水對(duì)裂隙巖體強(qiáng)度的影響，重點(diǎn)討論水對(duì)巖石的化學(xué)損傷機(jī)理和壓力水作用下巖體的斷裂強(qiáng)度。
(2)研究水在巖體中的滲流問(wèn)題，建立流固耦合的滲流方程，并用有限元法對(duì)建立的流固耦合模型進(jìn)行求解。
(3)研究定向水壓致裂的機(jī)理，為在堅(jiān)硬頂板中采用高壓水定向分層提供理論依據(jù)。
2.2 主要技術(shù)路線
2.3 完成課題的條件(包括個(gè)人業(yè)務(wù)水平、所在系或?qū)W科組的技術(shù)、設(shè)備條件)和擬采取的技術(shù)措施和辦法：
本人在本科階段主修土木工程，在理論分析上對(duì)地上、地下結(jié)構(gòu)，以及煤礦等具有一定的基礎(chǔ)知識(shí)。研究生階段，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和帶領(lǐng)下，專門(mén)學(xué)習(xí)了煤礦巖巷、煤巷掘進(jìn)理論知識(shí)和親自到掘進(jìn)工作面松動(dòng)爆破實(shí)踐，并閱讀了大量的文獻(xiàn)資料。
另外，國(guó)內(nèi)關(guān)于堅(jiān)硬頂板控制資料相對(duì)較多，基于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓注水的研究成果、我國(guó)煤礦掘進(jìn)爆破工程實(shí)例以及我國(guó)能源政策的大力支持，給本課題的研究工作提供了足夠的理論和實(shí)踐資料。
在課題準(zhǔn)備階段，在導(dǎo)師徐穎教授的指導(dǎo)下，以上各項(xiàng)條件均為本課題的順利完成提供了有利的保障。
3 課題工作量及進(jìn)展計(jì)劃(包括各階段計(jì)劃完成的內(nèi)容和所需的時(shí)間等)。
(1)2013年2月～4月：資料收集、查閱文獻(xiàn)資料等;
(2)2013年5月～8月：厚硬頂板高壓預(yù)注水機(jī)理研究分析
(3)2013年8月～10月：對(duì)高壓注水破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并得出結(jié)論
(4)2013年6月～2013年1月：論文編寫(xiě);
(5)2014年2月～4月：論文修改;
(6)2014年4月～5月：論文送審，準(zhǔn)備答辯