基于sca的急倾斜特厚煤层顶煤综合弱化技术研究

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1、基于SCA的急倾斜特厚煤层顶煤综合弱化技术研究1绪论1.1论文选题背景和研究意义如何解决影响急倾斜特厚煤层安全高效开采的这些技术障碍，将是我国采矿界长期面对的现实问题[1-2]。国外综放开采煤层倾角均未涉及45o以上，急倾斜煤层一般很难实现高产。十一五期间，国家研究了适合采放高度14m~20m特厚煤层综放开采成套技术与装备，但针对45°~87°急倾斜特厚煤层还鲜有研究。另外，特厚煤层高效开采、灾害防治和环境保护矛盾凸显，研发创建集矿山固废利用、灾害防治、增产提效和环境保护为一体的采空区地表充填利用技术是有效保障急倾斜特厚煤层持续性高效生产的关键

2、技术之一。通过急倾斜特厚煤层安全开采关键技术研究，实现安全生产，综合机械化率大幅度提高，吨煤成本明显降低，采出率达到国家要求。新疆乌鲁木齐矿区发展高产高效开采的关键是科学提高水平分段高度与系列化保障技术。与缓倾斜长壁开采不同的是，急倾斜水平分段放顶煤综放开采工作面短，仅为煤层的水平厚度，除了进一步提高综放装备水平，以提高工作面推进度，更为关键的技术难题是科学提高水平分段高度。2006年国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局公布施行修改的《煤矿安全规程》第68条对放顶煤开采技术以及相关技术参数做出了一些新的规定。包括放顶煤开采时，采用预裂爆破对坚硬顶板或者

3、坚硬顶煤进行弱化处理时，应在工作面未采动区进行，并制定专门的安全技术措施。严禁在工作面内采用炸药爆破方法处理顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤(矸)。这对新疆乌鲁木齐矿区的急倾斜综采放顶煤安全开采技术提出了新的挑战。急倾斜特厚煤层高阶段水平分段放顶开采将面临两个关键性问题：一是顶煤的可放性，即顶煤能否充分破碎及采取何种技术措施使顶煤的破碎度满足放出要求。二是顶煤、围岩的控制问题，探索顶煤破碎与流动规律[3]，掌握顶煤充分破碎后的放出规律及围岩控制技术以保障生产安全。一言以蔽之，顶煤必须弱化，但是不能对巷道稳定性造成影响。1.2国内外研究现状静态破碎剂(SCA,St

4、aticCrackAgent)问世于1968年，同年9月28日由日本大成建设技术研究所的田中秀男申请了发明专利，并在其文章《混凝土结构物的破碎工法》进行了详细的说明。其研究成果如下:生石灰和水反应后温度可达240℃，体积约膨胀两倍；使用时生石灰要先破碎和磨成粉末，按生石灰:水=100:35的比例拌和，立即发生化学反应，产生膨胀效应，并逐渐向周围以放射状扩展，但由于施工困难，需要加入相关的延迟剂[4]。受围岩的反作用力，静态碎裂剂产生膨胀压力，并不断聚集，超过围岩的抗拉强度后，岩体就会产生裂纹，甚至发生破碎。静态破碎剂真正意义上进步出现于上世纪70年代后期，日本

5、小野田公司通过进一步研究，成功研制出了名为Brista的安全、破坏力强、施工简便的静态破碎剂（SCA)，并且申请了专利，设厂投产并在市场上进行销售[5]。由于这种新的静态破碎剂较以往的SCA有了明显的改善，且其产生的膨胀压力能够超过钢混凝土，达到破坏的效果，为了区别以往性能不稳定的SCA，小野田公司将其改名为静态破碎剂。1981年7月1日，日本建设省在其1236号通告《关于利用膨胀压力的破碎工法的开发》中，正式把静态破碎剂列入研究课题[6]。在之后的两年内进行了很多的试验研究，取得了显著成果，达到了商品化的阶段。1982年5月丰羽矿与日本油脂公司合作，进行了静

6、态破碎剂是否适用于金属矿山破碎岩石的试验，并取得了一定的工程经验，推动了静态破碎剂的发展[7]。1984年又出现了卷装型静态破碎剂，施工更方便，并满足不同角度炮孔装药要求。1985年，捷克粘合剂科学研究所研制出静态破碎剂，称为粘合剂与化学缓和剂的非爆炸混合物[8-9]。.2急倾斜特厚煤层动静耦合弱化效应实验2.1炸药的爆轰波原理及其模型通常认为爆破致裂的机理是炸药爆破后，炸药的能量转化成了爆轰波的能量，以爆轰波形式直接作用于介质上。爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。在裂隙扩展过程中，爆生气体首先进

7、入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中，然后再进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生气体压力降到不足以使裂隙继续扩展为止。爆轰波是指在炸药中传播并伴随有快速化学反应冲击波，也称为反持性或自持性冲击波，实际上爆轰波也是炸药爆破能力的重要内容。其理论模型主要有C-J模型和ZDN模型，爆轰波的C-J模型在热力学和流体力学的基础上建立起来的，该理论提出并论证了爆轰波定常传播所必须遵守的条件，并进一步揭示了爆轰波能够沿爆炸物定常传播的物理本质，并由此建立了计算爆轰波的各个参数，尽管如此，该理论所考察的是平面一维的理想爆轰波的定常传播过程，将爆轰波当做一个包含化学反应

8、的强间断面，实际上就意味着对爆轰波中化