土木工程碩士論文開題報告範文

課題名稱：

厚硬頂板高壓預注水弱化機理研究碩士畢業論文開題報告

學科專業： 巖土工程

1 課題來源、選題依據背景情況、課題研究目的、國內外的研究動態、水平、存在問題，並附主要參考文獻：

1.1 課題來源

淮南礦區已進入深部開採，厚硬頂板難冒問題突出，造成重大經濟損失。為此，淮南礦業集團高度重視，XX年組織集團公司工程技術人員到山西等多個礦業集團考察，並邀請相關科研單位論證分析淮南礦區綜採面壓架機理，並決定聯合有關科研單位開展“煤與瓦斯突出煤層綜採工作面頂板深孔預裂爆破技術”研究。

1.2 選題依據背景情況

煤炭是我國的基礎能源，在我國一次能源構成中煤炭約佔70%左右。隨着我國經濟建設的飛速發展，國家對煤炭等能源需求量越來越大。XX年我國原煤產量為28億噸，XX年原煤產量29.6億噸，XX年原煤產量超過30.0億噸，XX年原煤產量為35.2億噸，預計XX年原煤產量將達到37.9億噸。我國煤炭淺部資或賦存條件相對簡單資源日益減少，煤礦相繼進入深部開採期，隨之而來就面臨着厚硬頂板控制問題。厚硬頂板由於整體性好、強度高，難於冒落，如不及時採取強制處理，將形成採空區大面積懸頂。大面積懸頂一旦垮落，一方面由於巖層折斷時產生的強烈動載荷會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，採空區積存的大量高濃度瓦斯氣體，沿風巷、機巷湧出，造成瓦斯超限，並形成破壞力很強暴風，在風暴所經過之處，其強烈的衝擊作用，摧毀結構。採工作面及其鄰近巷道中的支架、風門和磚牆密閉，甚至使礦車翻倒，軌道彎曲，對井下人員及設備造成嚴重的危害。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)等多個工作面壓架和出水現象，造成重大經濟損失。為此，淮南礦業集團XX年組織集團公司工程技術人員到山西等多個礦業集團考察，並邀請相關科研單位論證分析淮南礦區綜採面壓架機理，並決定聯合有關科研單位開展“煤與瓦斯突出煤層綜採工作面頂板深孔預裂爆破技術”研究。

1.3 課題研究目的

以往煤層強制放頂爆破採用的是常規炸藥，炸藥爆破過程的重要特性是炸藥通過高速的化學反應,在裝藥孔壁上產生巨大的氣體壓力，使周圍的介質破壞和破碎。但它存在着施工量大;炸藥消耗大、污染井下空氣，存在一定的危險性，稍微不慎可能會造成瓦斯爆炸、煤層坍塌等重大問題。壓力注水弱化頂板法就是在工作面預先向頂板鑽孔注壓力水，利用水對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度，當工作面採過後，頂板可正常垮落，減小來壓對工作面的威脅。壓力注水法具有改變頂板力學特性，變難冒為易冒，實現長壁綜合機械化採煤，提高資源回收率;同時可降低工作面粉塵含量，改善勞動環境;注水與回採作業平行，預先釋放部分瓦斯等優點等優點。

1.4 國內外的研究動態、水平、存在問題

我國厚硬頂板控制的研究始於60年代，已有近50年曆史，處於世界領先的地位，在生產實踐中積累了豐富的經驗。

靳鍾銘、徐林生、錢鳴高等通過對厚硬頂板的研究，較全面地分析了厚硬頂板採場礦山壓力及其顯現規律、採場來壓預測預報、厚硬頂板採場支架受力分析、厚硬頂板的處理方法等;

王開，康天合等對堅硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度進行了研究，提出了厚硬頂板合理的冒落步距計算方法;

靳鍾銘[2]根據大同礦務局的現場試驗結果，在總結其他人的研究成果的基礎上，對頂板注水弱化的方法做了系統的闡述和分析。

陳榮華等[34][35]採用repa2d軟件對注水軟化厚硬頂板(關鍵層)做了數值模擬。模擬結果表明：隨軟化係數的減小和軟化厚度的增加，上覆巖層初始冒落步距及來壓顯著減小：若厚硬巖層巖樣本身能被注水軟化，而實際採場由於地質構造及開採工藝的影響未必適宜單獨採用注水軟化法，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，從而有效控制採場礦山壓力。

寧宇[36]等採用了有限元計算和模型試驗對堅硬頂板注水工作面礦壓顯現特徵進行研究。強調頂板注水後，頂板巖體發生塑化，改變了頂板巖層中的應力分佈和頂板變形位移特徵。頂板巖層中的拉、壓力峯值轉移到了採區上方的懸頂中，從而有利於頂板在採空區上方斷裂並分層次垮落，減小巖層折斷時對支架的衝擊載荷和傳力系數，減小頂板來壓強度，從理論上進一步説明了向頂板高壓注水是控制堅硬難冒頂板的有效技術途徑。

以上研究從模擬或實驗上對注水後巖體發生的變化進行了分析，或從宏觀上對注水軟化上的機理進行了闡述，而從微觀上對高壓水注水的機理研究分析的較少。

1.5 主要參考文獻

[1]宋永津，控制煤層堅硬難冒頂板技術[m]，煤炭工業出版社，XX，9.

[2]靳鍾銘，徐林生，煤礦堅硬頂板控制[m]，北京，煤炭工業出版社，1994.

[3]錢鳴高，石平五，礦山壓力與巖層控制[m]，中國礦業大學出版社，XX，11.

[4]王桂堯，孫宗順，徐紀成，巖石壓剪斷裂機理及強度準則的探討，巖土工程學報，1996，18(4)：68～74.

[5]rebinder p a，sehreiner l a，zhigach k f.h，aridness reducers in

drilling：a physico—chemical method of facilitating mechanical destruction

of rocks during[m]ow：akad naunk， melboune：csiro，1994.

[6]湯連生，張鵬程，王思敬，水——巖化學作用之巖石斷裂力學效應的試驗研究.巖石力學與工程學報，XX，21(6)：22～27.

[7]鄭少河，朱維中，裂隙巖體滲流損傷耦合模型的理論分析，巖石力學與工程學報，XX，20(2)：156～159.

[8]周維垣，高等巖石力學[m]，北京，水利水電出版社，1990.

[9]y.p chugh，effects of moisture on strata control in coal mines，engineering geology，1981(17)：241～255.

[10]康紅普，水對巖石的損傷，水文地質與工程地質，1994，(2)：39～40.

[11]朱珍德，胡定，裂隙水壓力對巖體強度的影響，巖土力學，XX，21(1)：6l～67.

[12]閆少宏，寧宇，康立軍等，用水力壓裂處理堅硬頂板的機理及實驗研究，煤炭學報，XX，25(1)：32～35.

[13]a.巴內基等，a.k.雷，g.辛格，高壓注水控制堅硬頂板，中國煤炭，XX，30(12)：73～74.

[14]陳榮華，張連英，厚硬頂板採場注水軟化的數值模擬，礦山壓力與頂板管理，XX，3：85～86.

[15]陳榮華，錢鳴高，繆協興，注水軟化法控制厚硬關鍵層採場來壓數值模擬，巖石力學與工程學報，XX，z4(13)：2266～2271.

[16]寧宇，陳暉，堅硬頂板注水工作面礦壓顯現特徵的有限元計算和模型試驗研究，煤炭學報，1990，15(1)：83～92.

[17]劉東燕，嚴春風，陳彥峯，壓剪應力作用下巖體裂紋擴展概率模型研究，巖土工程學報，1999，21(1)：56～59.

[18]孫廣忠，巖體結構力學[m]，北京，科學出版社，1998.

2 課題的主要內容，擬解決的主要技術問題，在理論和應用方面的意義，完成課題的條件(包括個人業務水平、所在系或學科組的技術、設備條件)和擬採取的技術措施和辦法：

2.1 課題的主要內容，擬解決的主要技術問題，在理論和應用方面的意義

本項目擬在大量調研的基礎上，採用理論分析、計算機數值模擬、現場試驗的綜合研究方法，開展對淮南礦區煤與瓦斯突出煤層厚硬頂板綜採面高壓預注水弱化砂巖頂板技術研究，使堅硬頂板弱化，使難冒頂板轉化為可冒落頂板，改善堅硬頂板的冒落性，減少採空區的懸頂面積，從而減輕週期來壓對工作面支架的影響，保證本工作面的安全順利回採。主要研究內容如下：

(1)水對裂隙巖體強度的影響，重點討論水對巖石的化學損傷機理和壓力水作用下巖體的斷裂強度。

(2)研究水在巖體中的滲流問題，建立流固耦合的滲流方程，並用有限元法對建立的流固耦合模型進行求解。

(3)研究定向水壓致裂的機理，為在堅硬頂板中採用高壓水定向分層提供理論依據。

2.2 主要技術路線

2.3 完成課題的條件(包括個人業務水平、所在系或學科組的技術、設備條件)和擬採取的技術措施和辦法：

本人在本科階段主修土木工程，在理論分析上對地上、地下結構，以及煤礦等具有一定的基礎知識。研究生階段，在導師的指導和帶領下，專門學習了煤礦巖巷、煤巷掘進理論知識和親自到掘進工作面鬆動爆破實踐，並閲讀了大量的文獻資料。

另外，國內關於堅硬頂板控制資料相對較多，基於目前國內外對高壓注水的研究成果、我國煤礦掘進爆破工程實例以及我國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踐資料。

在課題準備階段，在導師徐穎教授的指導下，以上各項條件均為本課題的順利完成提供了有利的保障。

3 課題工作量及進展計劃(包括各階段計劃完成的內容和所需的時間等)。

(1)XX年2月～4月：資料收集、查閲文獻資料等;

(2)XX年5月～8月：厚硬頂板高壓預注水機理研究分析

(3)XX年8月～10月：對高壓注水破壞過程進行數值模擬分析，並得出結論

(4)XX年6月～XX年1月：論文編寫;

(5)XX年2月～4月：論文修改;

(6)XX年4月～5月：論文送審，準備答辯