论文题目：基于水力压裂辅助破岩硬岩巷道快速掘进技术及工艺研究
摘要：巷道掘进是煤矿开采最重要环节之一,掘进工效直接决定着煤矿开拓、准备进度和煤炭开采的正常生产接续,岩巷快速掘进为当前煤炭工业亟需研究并解决的关键性技术难题。近年来水力压裂作为一种煤岩体预裂处理技术,在冲击矿压防治、坚硬顶板弱化、煤层增透强化瓦斯抽采等方面应用较广泛,且取得较好效果。因此本文研究了基于水力压裂辅助破岩的岩巷快速掘进技术及工艺,对于提高岩巷掘进速度、缓解采掘接续紧张、保障煤矿的高产高效生产具有重要意义。同时建立了基于水力压裂辅助破岩的硬岩巷道快速掘进作业线,为水力压裂辅助预裂坚硬岩石巷道的现场推广应用提供了初步的理论基础与思路,进一步促进了水力压裂技术在保障煤矿安全高效生产中的应用。本文以多孔水力压裂技术预裂坚硬岩石巷道促进硬岩巷道快速掘进为研究核心,采用文献调研与理论分析、PFC颗粒流数值模拟、基础研究及工艺设计相结合的方法,研究了基于水力压裂技术辅助破岩的硬岩巷道快速掘进技术及工艺。研究成果丰富了硬岩巷道水力压裂下裂缝扩展理论,对水力压裂预裂坚硬岩石巷道具有现场指导意义。本文的研究路线及研究方法同时对预裂坚硬顶板、岩巷快速掘进等工程应用具有借鉴意义,主要研究结论如下:（1）基于PFC颗粒流数值模拟构建了多孔水力压裂流固耦合模型。基于招贤煤矿二采区+980 m水平带式输送机大巷岩石物理力学性质测试结果进行了PFC2D数值模拟细观参数的试错法标定。细观参数标定结果显示颗粒流数值模拟得到的单轴抗压强度同实验室测试结果仅相差1.0%;弹性模量为2.725 GPa仅相差0.7%,所标定的PFC颗粒流模拟细观参数具有合理性,为后续的不同参数条件下水力压裂数值模拟提供了较为科学的参数基础。（2）揭示了不同压裂参数影响下单孔水力压裂岩石裂缝扩展特性及规律。研究了压裂孔径及注水压力对水力压裂裂缝扩展规律的影响,研究发现随压裂孔径和注水压力的增加,拉伸/剪切裂缝数目不断递增,同时压裂影响半径扩大;设计了不同模型水平应力与垂直应力比值σh/σv（侧压系数）方案。研究得到随着σh/σv增加（巷道埋深减小）,拉伸/剪切裂缝数目不断减少,压裂影响半径同时缩小。也即相对于浅埋深条件,埋深较大巷道所处地应力条件下水力压裂裂缝数目增加,水力压裂影响半径扩大。可初步认为水力压裂辅助破岩对于深部高应力巷道适用性及效果更好。（3）揭示了不同岩层组合形式条件下裂缝在软硬岩层交界面处的变化规律。通过对比4种不同“软”硬岩层组合形式条件下水力压裂裂缝扩展及裂缝击穿“软”硬岩层交界面的力学行为得到:水力压裂裂缝在由较软岩层进入硬度较高岩层后扩展速度变慢,且延伸扩展长度变小;水力压裂主裂缝在从较软岩层穿越较硬岩层交界面后会发生一定角度的偏转,且裂缝形态由“软”岩层中的短-宽裂缝变化为较硬岩层中的长-细裂缝。在较软岩层中易产生短-宽裂缝,而在较硬岩层中易产生长-细裂缝。（4）研究揭示了多孔水力压裂条件下水力压裂裂缝增长变化规律。受多孔水力压裂裂缝耦合影响,水力压裂裂缝的增长变化过程可划分为4个阶段:第一阶段,迅速产生拉伸裂缝,但剪切裂缝产生数目极少;第二阶段,拉伸裂缝继续增加,但裂缝增加速度逐渐降低;第三阶段,拉伸裂缝二次迅速增加,同时剪切裂缝也不断增加;第四阶段,裂缝数目不断增加但增速降低,逐渐趋于平缓,最终所产生剪切裂隙与拉伸裂隙数目比约为1:9,多孔水力压裂缝网中以拉伸裂缝为主。（5）设计优化了基于水力压裂辅助破岩的硬岩巷道快速掘进工艺及作业线。以招贤煤矿二采区+980 m水平带式输送机大巷为研究对象,根据前文数值模拟研究结果,针对不同注水方式、注水孔径、压裂孔间距进行了水力压裂基本参数优化;基于水力压裂辅助破岩工序对原劳动组织进行了优化协调,设计了基于水力压裂辅助破岩的硬岩巷道快速掘进工艺及作业线。预估可以降低单排割岩时间约40分钟,日进尺提高约20%,掘进工效提升较为明显。论文提出了利用多孔水力压裂使岩体内部生成复杂缝网,从而预裂坚硬岩石巷道,同时通过注水软化岩体,降低了综掘机截割头损耗,减少了工作面呼吸性粉尘浓度,显著改善井下岩巷掘进的作业环境。所设计的基于水力压裂辅助破岩的硬岩巷道快速掘进工艺及作业线具备一定的合理性和优势,有望促进我国煤矿坚硬岩石巷道掘进速度,且论文工作对促进水力压裂技术在保障煤矿安全高效生产中的应用具有重要意义。该论文有图55幅,表21个,参考文献101篇。
关键词：多孔水力压裂;巷道掘进;颗粒流模拟;裂缝扩展;劳动组织优化
学科专业：采矿工程
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究内容与技术路线
2 颗粒流(PFC)多孔流固耦合模型构建
2.1 裂缝起裂准则
2.2 多孔水力压裂的实现
2.3 模拟细观参数的标定
2.4 本章小结
3 不同压裂参数水力压裂特性颗粒流(PFC)模拟
3.1 模型建立及参数选择
3.2 不同压裂参数影响下水力压裂裂缝扩展规律
3.3 不同孔间距双孔水力压裂裂缝耦合规律
3.4 本章小结
4 不同条件下多孔水力压裂缝网耦合扩展规律
4.1 不同注水方式条件下多孔水力压裂缝网扩展规律
4.2 不同压裂孔布置形式裂缝扩展规律
4.3 不同岩层组合形式多孔水力压裂裂缝扩展规律
4.4 本章小结
5 基于水力压裂辅助破岩的硬岩巷道快掘施工工艺及作业线优化
5.1 +980水平胶运大巷水力压裂参数优化
5.2 基于水力压裂辅助破岩快速掘进工艺及作业线设计
5.3 劳动组织优化及协调性措施
5.4 可行性评价
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 展望与思考
参考文献
作者简历