不同间距煤层群上保护层开采保护效果变化规律与工程应用

发布时间：2020-05-08 00:02

【摘要】：在突出煤层群开采中,保护层开采是目前防治煤与瓦斯突出最有效的区域措施,其保护效果确定一直是保护层开采研究的关键问题。由于保护层开采的保护效果影响因素多、影响规律复杂,目前大部分研究工作都集中在特定条件和特定因素方面的突出煤层群保护层开采问题,而各因素对突出煤层群保护层开采保护效果的影响规律尚缺少系统研究。为系统研究保护层层间距对上保护层开采保护效果的影响规律,采用响应面模型结合数值计算的方法,分析了煤层间距、煤层埋深、构造应力、保护层厚度、煤层倾角等因素对上保护层开采保护效果影响的敏感程度,确定了对保护效果影响显著的煤层间距这一因素为研究对象;采用物理相似模拟的研究方法,进一步研究了其他因素不变的条件下,不同层间距条件下被保护层的卸压分布规律、保护范围随煤层层间距的变化规律;从突出煤层群保护层开采被保护层内煤巷掘进瓦斯涌出控制的角度,研究了突出煤层群保护层开采被保护层残余瓦斯压力与被保护层内煤巷掘进瓦斯涌出之间的关系;最后结合南桐矿区东林煤矿的现场考察,开展了突出煤层群上保护层开采保护范围划定方法的对比分析研究。本文的主要研究成果有:(1)针对突出煤层群保护层开采保护效果评价指标较多和保护层开采保护效果指标受多因素影响的复杂问题,采用响应面试验方法,建立了突出煤层群上保护层开采保护效果的二次多项式响应面模型;在此基础上,进行了煤层埋深、侧压系数、保护层厚度、煤层间距、煤层倾角等多因素对突出煤层群上保护层开采保护效果影响的量化对比分析研究,从量化上明确了煤层间距是影响突出煤层群保护层开采保护效果最敏感的因素,研究结果表明:突出煤层群上保护层开采倾向保护范围长度、上部卸压角和下部卸压角均受层间距变化影响最敏感。(2)根据不同层间距的突出煤层群上保护层开采物理相似模拟实验分析,确定了不同层间距条件下突出煤层群被保护层的卸压分布规律和保护范围随煤层层间距的变化规律;研究表明:不同层间距上保护层开采的保护范围均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中按煤层倾角得到的保护范围,且随着层间距的增加保护范围呈加速减小趋势;突出煤层群不同层间距被保护层卸压曲线均呈“凸形”,随突出煤层群层间距增加,被保护层小于原岩应力的卸压范围与“凸形”顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势;对于倾斜煤层群,“凸形”中心线偏向下山方向。随着煤层间距增加,卸压范围中心位置向下山方向转移。(3)在煤层群保护层开采基础上,从传统二维煤巷瓦斯涌出量计算方法中引入固气耦合模型,提出了基于固气耦合和被保护层煤巷断面瓦斯涌出量时间积分的煤壁瓦斯涌出计算方法,为煤层群保护层开采被保护层煤巷瓦斯涌出预测和超限控制奠定了理论基础;研究结果表明,被保护层煤巷掘进速度恒定时,煤壁瓦斯涌出量随时间和掘进距离逐渐增大,但增幅不断减小,且煤壁瓦斯涌出量呈单调增加的指数衰减多项式(Exponential Decay Polynomial)变化规律;间断式掘进循环的煤壁瓦斯涌出量呈锯齿状增加,总体趋势与恒速掘进相同;随时间增加,不同掘进循环瓦斯涌出总量差异趋于稳定;长时间掘进时,掘进循环内瓦斯涌出量波动对瓦斯涌出总量的影响可忽略。(4)开展煤层群上保护层开采被保护层残余瓦斯压力对煤巷掘进瓦斯涌出影响的研究,确定了考虑被保护煤层残余瓦斯压力、煤巷掘进速度及掘进时间的临界曲面,提出了综合临界残余瓦斯压力的概念;利用被保护层煤巷掘进条件(工艺)参数与该临界曲面的相对位置,确定了被保护层掘进煤巷内瓦斯浓度水平;同时,按被保护层煤巷掘进瓦斯涌出超限控制的要求,能限定被保护层卸压抽采残余瓦斯压力值;在掘进速度和通风能力一定条件下,为保证被保护层煤巷掘进瓦斯浓度保持在规定范围内,提出了既能保证被保护层区域防突临界瓦斯压力(0.74 MPa)不超标又能达到被保护层煤巷掘进瓦斯涌出不超标(CH_4小于1%)的综合临界残余瓦斯压力确定的方法,对确保煤层群被保护层安全开采从本质上解决瓦斯灾害防治问题具有指导作用。
【图文】：

砌体梁,理论结构,力学模型,假说

型研究现状力学模型研究是围岩变形破坏理论研究的重要方向之一原岩应力及采动工程应力作用下移动变形过程的复杂性矿山压力假说。最早的采场矿山压力假说应推德国人哈Gillitzer）提出的“压力拱”假说（1928）和德国人施托克”假说（1916）。这两种假说对于特定的开采条件和采的解释。技术的发展和采场上覆岩层运动的测试及顶板支护技术技术条件下的覆岩移动提出了更加合理的假说，其中以岩块”假说(1954)和比利时学者拉巴斯于 20 世纪 50 年说影响最广。我国学者通过大量生产实践及岩层移动变进行发展，提出了“砌体梁理论”和“传递岩梁理论”。经目前“砌体梁理论”和“传递岩梁理论”已成为中国煤矿生力假说，其结构力学关系如图 1.4 和图 1.5所示。

模型图,模型,层状岩层,砌体梁

1 绪论积地层中，其围岩主要是层状岩层。层状岩层有上覆岩层变形的主体。“砌体梁”理论[28,29]认为坚硬着采空区的扩大，坚硬岩层将破坏形成砌块结构结构作为围岩运动的骨架，是采场围岩整体结构离采场工作面最近的两个砌块为砌体梁结构中的的结构，决定着砌体梁结构的稳定性，其稳定性可。说结构力学模型如图 1.5 所示。该假说基于老顶相互咬合使得作用力始终能向煤壁前方及采空区的作用力无需由支架全部承担，，支架所受支撑压。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712.6

【参考文献】