工作面前方煤体采动卸压规律及其与瓦斯运移相关性研究

发布时间：2020-08-12 13:52

【摘要】：受采动影响,采煤工作面前方煤体发生卸压破坏。卸压区内煤体裂隙发育,瓦斯通过解吸扩散,向采煤工作面大量涌出,给采煤工作面安全采煤带来危险。本文运用岩石力学、渗流力学等相关知识,探讨采煤工作面前方煤体变形破坏及卸压过程与瓦斯运移相关性,旨在通过把握采煤工作面前方煤卸压与瓦斯运移规律,为采煤工作面前方卸压区瓦斯抽采提供理论依据和指导,以降低卸压区瓦斯涌出量,从而降低瓦斯危险。通过实验室试验、理论分析、数值模拟、现场测试相结合的技术路线,为本文研究工作提供较全面的数据基础和理论支撑。首先,采用TAW-2000岩石三轴试验机进行煤的单轴、常规三轴、卸围压、以及加卸载条件下的力学试验。通过对煤的常规三轴试验、卸围压试验、加卸载试验,分别得到了三种应力路径下的应力应变特征、强度特征和破坏特征。在常规三轴压缩试验中,随着围压的增加,峰值强度增大,粘聚力增大,内摩擦角减小;高围压使轴向压缩变形增大,煤样破坏更强烈。在初始围压相同的情况下,与常规三轴试验相比,卸围压试验中峰值点割线模量较小、割线泊松比较大;煤样在卸围压时更容易破坏且破坏更强烈,侧向应变较大,而轴向应变差别不大。与常规三轴试验相比,加卸载条件下煤的内摩擦角增加,粘聚力降低;相同初始围压下,抗压强度降低,因此更容易破坏。在加卸载实验中,卸围压速率越快,煤样破坏强度越小,而破坏所需时间越短,越容易破坏。在卸围压过程中,煤样的弹性模量先增大后减小,泊松比持续增大。与常规三轴试验相比,加卸载试验条件下,变形模量差E50-Ec和泊松比差μc-μ50有较大增加,说明了加卸载试验中煤样的变形和破坏程度更大。从破坏特征看,在单轴压缩试验及低围压下,煤试样以剪切破坏为主,有明显剪切破坏面,随着围压的增加,破坏面不单一,同时有张性裂纹和剪切裂纹;围压增大到6MPa时,破坏表现出“X”型共轭剪切特征,随着围压的继续增大,试样呈现出鼓胀现象。在卸围压试验中,破坏后的煤样无明显剪切面,同时伴有张性和剪性破坏,且破坏程度强烈,随着初始围压的增加,破坏表现出延性特征。相比常规三轴压缩试验,卸围压试验的煤样破碎程度更大。与常规三轴实验相比,加卸载条件下煤样以张性破坏为主,无明显光滑破裂面,且由于煤样的变形较大,煤样较为破碎。随着初始围压的增大,煤样的变形越大。工作面前方煤体变形过程经历了压缩过程和扩容过程,同时伴随不同的瓦斯运移过程。通过实验室试验可以较好的反应工作面前方煤体的压缩扩容和渗流过程的相关性。本文第三章通过三轴应力渗流实验装置对煤的压缩扩容和瓦斯渗流特性进行了研究。根据体积应变的变化可把煤岩的变形破坏过程分为压缩过程和扩容过程。采用体积应变增量给出了压缩-扩容边界条件,理论分析了压缩-扩容边界的应力空间形态,并通过不同围压下的三轴实验得到煤的压缩-扩容边界。通过三轴渗流试验,研究了煤在压缩扩容过程中的瓦斯渗流变化,在压缩阶段,试件的渗透率与有效应力曲线更符合公式1/20[1(/)]tek?k??s;在扩容阶段,当围压较低时,渗透率与有效应力曲线符合二项式公式,当围压较高时,渗透率与有效应力曲线符合公式/(1)edcdkkce????。围压和瓦斯压力对压缩-扩容边界影响显著,初始围压的增大使压缩-扩容边界上的轴向应力增大,应力比增大,渗透率减小;而瓦斯压力的增大使压缩-扩容边界较早发生。通过第六章现场测试采煤工作面前方钻孔瓦斯流量随应力的变化,验证了三轴渗流试验中压缩扩容与渗透率变化的一般规律。对采煤工作面前方煤体卸压区范围作了理论分析。根据卸压区水平方向的应力平衡方程,结合mohr-coulomb准则,推导了包含孔隙瓦斯压力的卸压区宽度计算公式。分析了瓦斯压力、biot系数、煤层开采深度、煤层开采厚度、煤的力学性质等因素对卸压区宽度的影响。分析结果表明:在水平方向上,瓦斯压力对卸压区宽度的影响表现为促进作用,卸压区宽度随瓦斯压力的增大而扩大;在垂直方向上,biot系数对卸压区宽度的的影响较小,在计算卸压区宽度时,瓦斯压力对垂直应力的影响可以忽略;煤层开采深度越深,煤层开采厚度越厚,卸压区宽度越大;内摩擦角和粘聚力越大,卸压区宽度越小。采用钻孔应力传感器现场实测了某矿工作面前方煤体卸压区宽度,与理论公式计算结果基本一致。采煤工作面前方煤体瓦斯运移是一个复杂的过程。首先煤体内的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯,游离瓦斯通过扩散-渗流过程经孔隙-裂隙通道运移至工作面。而煤体孔隙率与渗透率决定瓦斯运移的难易,同时孔隙率与渗透率的大小与原始孔隙率及应力应变过程相关。由于工作面前方煤体卸压区瓦斯运移的复杂性,comsolmulitphysics软件为模拟采煤工作面前方煤体变形-瓦斯运移变化过程提供了有利工具。在考虑煤基质体积变化的基础上,推导了包含初始孔隙率、总体积应变、基质体积应变的孔隙率动态变化模型。体积应变的引入体现了弹塑性过程孔隙率变化的连续性。基于孔隙率动态变化模型,根据kozeny-carman方程,并考虑煤基质变化过程中表面积变化,推导了包含初始渗透率,体积应变、初始孔隙率、瓦斯压力的渗透率方程。根据质量守恒方程和达西定律,给出了采煤工作面前方煤体变形-瓦斯运移方程,根据莫尔-库伦准则、孔隙率变化方程、渗透率变化方程及煤体变形-瓦斯运移方程,采用comsolmultiphysics数值模拟软件分析了采煤工前方煤体应力变化、渗透率变化、瓦斯压力变化。结果表明:工作面前方应力分布规律与现场测试基本一致;工作面前方卸压区范围与理论计算相一致;工作面前方渗透率变化与现场实测瓦斯流量一致;瓦斯压力随距离工作面增加逐渐上升,直至趋近于原始瓦斯压力大小。随时间的推移,卸压区范围有所扩大,渗透率最小值向工作面远处转移,瓦斯压力卸压影响范围逐步扩大。由试验研究、理论分析、数值模拟以及现场测试,使我们认识到,在工作面前方卸压区,煤体发生滑移破坏,有明显的扩容及卸压增透效应。现场实测了工作面前方煤体应力及钻孔瓦斯流量随工作面推进过程的变化规律,确定了工作面前方煤体卸压区范围;在卸压区内,因煤体渗透率增大钻孔瓦斯平均流量提高2~3倍。基于工作面前方煤体卸压增透效应,根据不同钻孔失效距离及卸压区宽度,给出了不同偏角下的预抽钻孔卸压瓦斯抽采量计算公式,分析表明:钻孔偏角越大,卸压瓦斯抽采量越大。结合某矿N2105工作面现场条件进行计算,钻孔偏角最大可为21.4°,相比原垂直煤壁钻孔,单孔卸压瓦斯抽采量可增加978.5 m3,预期可有效提高本煤层瓦斯抽采率。结合某矿实际,在考虑钻孔成孔率及盲区的情况下,不同偏角下的卸压瓦斯抽采量随偏角的增大迅速增大,随着偏角的继续增大,卸压瓦斯抽采增加量逐渐减小,在偏角为17.5°时,卸压瓦斯抽采量达到最大值。本文在采煤工作面前方煤体变形破坏及卸压过程与瓦斯运移相关性方面作了有益探索,尤其是提出工作面前方煤体钻孔卸压瓦斯抽采量计算公式并对钻孔偏角进行优化。研究成果可为采煤工作面前方卸压瓦斯抽采提供指导。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD323;TD712
【图文】：

岩石力学试验,主机,刚性

图 2.1 TAW-2000 岩石力学试验机Fig.2.1 TAW-2000 rock mechanics testing machine性主机刚性主机（2000KN）、压力传感器、油缸、蓄阀（控制加载速度）几部分。门框式刚性主机

门框,岩石力学试验,主机,刚性

图 2.1 TAW-2000 岩石力学试验机TAW-2000 rock mechanics testing（2000KN）、压力传感器、油加载速度）几部分。门框式

伺服,动力系统

伺服动力系统

【参考文献】