突出松软煤层注水防突机理及爆破增注技术研究

发布时间：2020-07-16 19:13

【摘要】：随着煤炭资源开采深度和开采难度的增加,如何提高煤层透气性、消除煤与瓦斯突出危险性已经成为制约煤炭安全高效开采的关键问题。目前松动爆破和煤层注水防治煤与瓦斯突出还停留在单一防突措施的试验研究,对两者之间耦合防突现场应用研究较少。本文基于实验室实验研究了含水率对煤体力学特性和瓦斯吸附放散特性及微观孔隙结构的影响,阐述了含水率对煤体作用机理。通过数值模拟研究了不同特征参数对煤巷掘进过程中突出危险性的影响,并验证了煤层注水的可行性。但是由于煤层裂隙较少,低压直接注水效果并不理想,高压注水又会出现局部应力集中,有可能诱发煤与瓦斯的突出。因此提出了一种爆破增注防突技术,并通过现场工业性试验验证了其对煤与瓦斯的防突效果,主要研究成果和结论如下:(1)随着含水率的增大,煤体的抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角逐渐减小,泊松比、抗粉碎系数和抗压强度所对应的应变逐渐增大,煤样的塑性变大,脆性较小,受载能力增强。(2)随着含水率的增大,煤的吸附常数a逐渐降低,吸附常数b逐渐增大,瓦斯放散初速度ΔP增加,渗透率逐渐减小,裂隙瓦斯压力、基质瓦斯压力逐渐降低,应力峰值逐渐减小,应力峰值位置逐渐向深部转移。煤样的微孔和中孔数量增多,部分微孔孔径变大变为中孔,大孔的数量几乎不变。(3)当水进入到煤体内部时,由于水楔作用、水解作用、水化作用的影响,增大了煤颗粒之间的距离,降低了煤分子之间的范德华力,煤体内部原有的宏观裂隙和微观孔隙被连通,并产生新的孔隙和裂隙并不断扩展,使得煤体的结构被破坏。此外,由于水的存在,煤体内部宏观裂隙和微观孔隙上会形成一层水膜,不仅可以阻止煤颗粒之间重新粘结、新的裂隙重新闭合,还能起到一定的润滑作用,当煤体的含水率逐渐增大时,煤体内部的水膜联结作用力随之减小,直到完全丧失。(4)为了验证煤层注水技术的可行性,研究了特征参数的改变在煤巷掘进时突出危险性的影响。研究发现:在均质煤岩层内掘进煤巷时,煤层弹性模量越小,巷道超前应力集中峰值越小,巷道前方煤体的位移量越大,有利于防止煤与瓦斯突出。虽然煤层泊松比越大,巷道超前应力集中峰值越大,峰值位置前移,但是影响效果不明显。减小煤层的粘聚力、内摩擦角,虽然能轻微的增大应力集中峰值,但是却可以很有效的将应力集中峰推向远方,从而能很好的消除煤岩动力灾害的发生。(5)在平煤八矿进行了现场工业性试验,测定了松动爆破的有效影响半径为7m,爆破后注水量较普通钻孔注水量平均提高了54.6倍以上,注水量显著增加。在煤巷掘进过程中测定煤层的含水率和突出危险性,煤层含水率显著增加,突出危险性指标钻孔涌出初速度q值和钻屑量S值显著降低。证实了爆破增注防突技术对防治煤与瓦斯突出事故有显著效果。论文研究成果对了解含水率对煤体力学特性、瓦斯吸附放散特性的作用机理,增强煤体透气性,防治煤与瓦斯突出等方面具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD713
【图文】：

干燥箱,真空,煤样,含水率

图 2-1 干燥箱和真空饱水机Figure2-1 Drying box and vacuum water saturation含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%图 2-2 加载实验的煤样Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment粉碎系数实验煤样的制备煤八矿戊9.10-14160 工作面的硬分层和软分层各取煤样 3~5kg。无法制作成直径为 20-30mm 的小块，为了统一标准，保证实验的将煤样统一破碎成 1-3mm 粒度的煤样，放入干燥箱充分干燥后，煤样饱水一周，使煤样充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥

煤样,含水率,干燥箱

a.含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%图 2-2 加载实验的煤样Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment2.1.2 抗粉碎系数实验煤样的制备从平煤八矿戊9.10-14160 工作面的硬分层和软分层各取煤样 3~5kg。由于软分层煤样无法制作成直径为 20-30mm 的小块，为了统一标准，保证实验的可比性，所以将煤样统一破碎成 1-3mm 粒度的煤样，放入干燥箱充分干燥后，利用饱水机对煤样饱水一周，使煤样充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥时长的方式，制作不同含水率的煤样，如图 2-3 所示。

煤样,系数,含水率,干燥箱

a.含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%图 2-2 加载实验的煤样Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment.1.2 抗粉碎系数实验煤样的制备从平煤八矿戊9.10-14160 工作面的硬分层和软分层各取煤样 3~5kg。由于层煤样无法制作成直径为 20-30mm 的小块，为了统一标准，保证实验的可，所以将煤样统一破碎成 1-3mm 粒度的煤样，放入干燥箱充分干燥后，利水机对煤样饱水一周，使煤样充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥时长式，制作不同含水率的煤样，如图 2-3 所示。

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