煤层群开采上邻近层采动卸压瓦斯分区富集协同抽采技术

发布时间：2017-08-27 06:29

  本文关键词：煤层群开采上邻近层采动卸压瓦斯分区富集协同抽采技术

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【摘要】：在煤炭开采历史中,矿井瓦斯防治一直是保证煤矿安全生产的重要课题。目前,进行瓦斯抽采是防治矿井瓦斯最主要的措施。瓦斯抽采不仅能降低井下瓦斯涌出量,减少瓦斯事故发生的可能性,还有助于实现瓦斯的利用,在节约能源的同时防止瓦斯直接排放到大气造成的温室效应。在煤层群开采的过程中,邻近层瓦斯涌出往往是工作面瓦斯的主要来源;向工作面涌出瓦斯的邻近层中,上邻近层的瓦斯涌出量又往往大于下邻近层。因此研究煤炭开采时上覆岩层的裂隙演化规律、瓦斯富集规律,研究上邻近层的瓦斯抽采方法,有助于解决上邻近层瓦斯大量涌出的问题。本论文主要针对阳泉矿区南庄矿12#层开采时的上邻近层瓦斯抽采进行研究。论文分析了上覆岩层裂隙演化以及瓦斯赋存的理论,结合南庄矿12#煤层的开采条件,通过理论分析、数值模拟和相似实验的手段分析了上覆岩层裂隙分布和瓦斯高、低位分区富集规律,提出了瓦斯协同抽采方案,并在南庄矿得到了较好的应用,建立了阳泉矿区12#煤层上邻近层瓦斯抽采体系,该体系同时在大阳泉矿得到了推广。阳泉矿区是全国瓦斯最大、最难进行瓦斯抽采的矿区之一。瓦斯涌出量大而且瓦斯突出频繁,对煤矿安全生产的影响非常严重。矿区共含煤15层,煤种以无烟煤为主,主采3#、6#、8#、10#、12#、15#煤层,各煤层均富含瓦斯。对回采工作面瓦斯来源的统计分析表明:上邻近层是工作面瓦斯的主要来源。根据目前上邻近层瓦斯卸压抽采的理论基础,总结了瓦斯在煤体中的赋存状态,煤体孔隙特征的评价方式;总结了瓦斯在煤体中流动的连续性方程和扩散-渗流方程。分析了采动上覆岩层垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的理论和关键层理论,概述了和瓦斯运移以及与瓦斯抽采相关的“O”形圈理论。根据这些理论基础,分析了阳泉矿区12#煤层裂隙演化分布规律,推算了12#煤层上覆岩层“竖三^/”的高度范围以及关键层的位置,并根据对上覆岩层的裂隙演化规律的理论分析结果,分析了上邻近层中的瓦斯涌出源和瓦斯富集区域。根据现场地质条件和相似实验准则进行相似实验,研究了阳泉矿区12#煤层上覆岩层裂隙演化规律。采用中国矿业大学(北京)采矿工程实验室的EWM二维模拟试验台进行实验。通过对实验现象的分析,得到工作面回采至不同位置时,上覆岩层的垮落形态及位移场分布规律,进而分析了上覆岩层中的裂隙发育规律。根据对关键层下沉曲线的分析,得到工作面回采期间关键层破裂下沉的规律。采用针对非连续介质模型的离散元数值计算程序UDEC4.00,以阳泉南庄煤矿12#煤层的地质与回采条件为原型,研究其回采过程中上覆岩层动态垮落过程以及采动裂隙场的动态演化过程和分布形态,为12#煤层上邻近层卸压瓦斯抽采技术提供理论依据。模拟结果得到了上邻近层应力分布随回采过程的变化;通过对模拟结果后处理得出上覆岩层位移场变化情况;数值模拟还得出了上覆岩层采动裂隙场演化模型。数值模拟得到的结果与相似实验得到的结果较为相符,可以相互印证。实验结果和模拟结果与理论分析所得的“竖三^/”范围、关键层层位等结论较为接近。根据理论分析、相似模型试验、数值模拟结果以及现场地质条件,得出了阳泉12#煤层上覆岩层的裂隙演化规律。根据裂隙演化规律进行fluent模拟,得到了上邻近层卸压瓦斯分区富集规律:在12#煤层回采的过程中,对工作面瓦斯涌出贡献较大的上邻近层是8#、9#、10#、11#煤层和k4石灰岩。以10#煤层顶板砂岩为界,位于该砂岩下部的10#、11#煤层和k4石灰岩构成了低位瓦斯富集区,低位瓦斯富集区处在冒落带和裂隙带的过渡区域,裂隙极其发育,与12#煤层距离较近,12#层的煤炭回采后,该区域内的卸压瓦斯便迅速卸压,涌向回采空间;位于10#煤层顶板砂岩上方的8#、9#煤层附近形成了高位瓦斯富集区,该区域位于裂隙带和弯曲下沉带的过渡区域,裂隙较为发育,与12#煤层层间距较大,受工作面采动影响较晚,工作面回采一段距离后该区域内的瓦斯才会卸压涌向回采空间。针对阳泉矿区12#煤层上邻近层采动卸压瓦斯高、低位分区富集的特点,提出了阳泉12#煤层上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术,即布置高位钻孔和低位钻孔,根据各富集区瓦斯卸压的时空规律,分别抽采高位瓦斯富集区和低位瓦斯富集区内的瓦斯。首先提出了针对阳泉南庄煤矿12#煤层4611工作面的瓦斯协同抽采方案,并利用数值模拟的办法对抽采效果进行论证。数值模拟的结果认为:瓦斯协同抽采技术能够达到治理4611工作面瓦斯的目的。瓦斯协同抽采技术首先在阳泉南庄煤矿12#煤层4611工作面进行试验。该试验结果表明,瓦斯协同抽采方案有效解决了工作面回采期间的瓦斯超限问题,并加快了工作面的推进度,大幅提高了工作面的产量。在随后进行的南庄煤矿12#煤层4606工作面抽采试验中,在应用高、低位钻孔协同抽采技术时,进行了一些改进,同时,还对采空区和本煤层瓦斯进行了抽采,形成了对工作面回采过程中涌出瓦斯的综合、立体抽采体系。瓦斯协同抽采技术体系在南庄矿的实验成果充分证明了12#煤层上邻近层协同抽采技术在阳泉矿区的有效性。瓦斯协同抽采技术在大阳泉矿得到了推广应用,也取得了不错的经济、社会和环境效益,显示出瓦斯协同抽采技术体系的普遍适用性。协同抽采技术不但改善了12#煤层工作面的安全生产状况、提高了工作面单产、减少了碳排放、加快了工作面推进效率、提高了瓦斯抽采率,还保证了15#煤层的安全、高效开采,提高了资源的利用率,延长了矿井的服务寿命。同时南煤集团通过对抽采瓦斯的利用,取得了良好的经济、社会和环境效益。协同抽采技术在阳泉矿区其它主采12#、15#煤层且以12#煤层作为首采煤层的矿井以及其它矿区具有类似煤层群开采条件的矿井具有广阔的推广应用前景。应用协同抽采技术提高了工作面的瓦斯抽采量和抽采率,减少了碳排放,利用了清洁能源。本论文研究的创新点主要有以下三点:1)通过理论分析、相似模型试验、数值模拟和现场试验等综合分析,得出阳泉12#煤层回采过程中上覆岩层“竖三带”分布范围,确定了上覆岩层的关键层,得到上覆岩层移动变形规律、采动裂隙场演化规律、关键层的破断下沉规律和上邻近层应力变化规律,得出了12#煤层上邻近层采动裂隙场高、低位分区分布特征和卸压瓦斯富集规律。2)针对阳泉12#煤层上邻近层卸压瓦斯高、低位分区富集的空间特点、时间特点,提出了分别布置上邻近层高位钻孔和低位钻孔分别对高位和低位瓦斯富集区进行时空协同抽采的方法。3)根据对现场试验的效果考察,确定了适合阳泉12#煤层工作面回采的上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术体系,确定了瓦斯抽采钻场的布置形式、瓦斯抽采钻孔的间距、钻孔终孔位置、钻孔抽采时间以及合理的单孔抽采负压等抽采参数的合理范围。本论文的研究成果在阳泉矿区得到了较好的应用效果,可以为我国其他煤层群开采的矿区提供参考。但由于各矿区地质条件不同,各矿区的瓦斯富集规律及抽采方案还需要有针对性的研究。
【关键词】：上邻近层 裂隙演化 分区富集 协同抽采
【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】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-28
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-25
• 1.2.1 国内外瓦斯抽采技术应用现状17-20
• 1.2.2 上覆岩层采动裂隙分布规律的研究现状20-21
• 1.2.3 瓦斯运移规律的研究现状21-24
• 1.2.4 目前研究存在的主要问题24-25
• 1.3 研究内容与技术路线25-26
• 1.3.1 主要研究内容25
• 1.3.2 技术路线25-26
• 1.4 本章小结26-28
• 2 上邻近层瓦斯卸压抽采理论分析28-46
• 2.1 煤体中瓦斯的赋存规律28-31
• 2.1.1 煤体中瓦斯的赋存状态28-29
• 2.1.2 煤的孔隙特征及其评价方式29-31
• 2.2 采动影响裂隙空间瓦斯流动规律31-34
• 2.2.1 连续性方程31
• 2.2.2 运动方程31-34
• 2.3 上覆岩层采动裂隙分布规律理论34-40
• 2.3.1 采动上覆岩层垂向分区34-36
• 2.3.2 关键层理论36-39
• 2.3.3 上覆岩层采动裂隙分布的“O”形圈理论39-40
• 2.4 上邻近层瓦斯流动场与裂隙场的耦合规律40-42
• 2.4.1 卸压瓦斯的浮升特性40-41
• 2.4.2 上邻近层瓦斯卸压流动机理41-42
• 2.4.3 瓦斯在采动裂隙带的富集规律42
• 2.5 阳泉12#煤层上覆岩层采动裂隙场分布及瓦斯富集规律分析42-45
• 2.5.1 南庄煤矿12#煤层工作面概况42-43
• 2.5.2 采动裂隙“竖三带”发育高度43
• 2.5.3 关键层位置判别43-45
• 2.5.4 上邻近层卸压瓦斯流动规律分析45
• 2.6 本章小结45-46
• 3 阳泉12#煤层上覆岩层采动裂隙场演化规律相似模型试验研究46-70
• 3.1 现场试验区概况46-53
• 3.1.1 阳泉矿区概况47
• 3.1.2 南煤集团概况47
• 3.1.3 南庄煤矿概况47-53
• 3.2 相似模型试验理论基础53-54
• 3.3 相似模型试验设计54-59
• 3.3.1 试验原型54-55
• 3.3.2 相似试验设备及系统55-56
• 3.3.3 相似条件的确定56
• 3.3.4 相似材料配比及模型铺设56-58
• 3.3.5 试验数据采集58-59
• 3.4 相似模型试验结果及分析59-68
• 3.4.1 工作面回采初期上覆岩层垮落形态及位移场分布规律分析59-61
• 3.4.2 工作面正常回采期间上覆岩层垮落形态及位移场分布规律分析61-66
• 3.4.3 工作面正常回采期间关键层破断下沉规律分析66-68
• 3.5 本章小结68-70
• 4 阳泉12#煤层上覆岩层采动裂隙场演化规律数值模拟研究70-82
• 4.1 UDEC数值模拟软件简介70-71
• 4.2 数值模型设计71-73
• 4.2.1 模拟地质条件71-72
• 4.2.2 模拟的边界条件72
• 4.2.3 本构模型及煤岩层力学参数72-73
• 4.3 数值模拟模拟结果及分析73-80
• 4.3.1 上邻近层应力变化规律分析73-75
• 4.3.2 上覆岩层位移场变化规律分析75-77
• 4.3.3 上覆岩层采动裂隙场演化规律分析77-80
• 4.4 本章小结80-82
• 5 阳泉12#煤层上邻近层卸压瓦斯分区富集规律82-100
• 5.1 阳泉12#煤层上邻近层采动卸压瓦斯分区富集规律82-87
• 5.2 瓦斯分区富集规律数值模拟87-89
• 5.2.1 模型建立87-89
• 5.2.2 模型网格划分89
• 5.3 模型主要参数的设定89-95
• 5.3.1 多孔介质参数的设定89-91
• 5.3.2 质量源项的确定91-93
• 5.3.3 计算算法及边界条件93-95
• 5.4 综采工作面邻近层卸压瓦斯运移富集规律数值模拟结果95-98
• 5.4.1 采空区瓦斯分布规律95-97
• 5.4.2 工作面瓦斯分布规律97-98
• 5.5 本章小结98-100
• 6 阳泉12#煤层上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术方案100-112
• 6.1 上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术方案设计100-101
• 6.2 4611工作面上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术方案101-107
• 6.3 协同抽采邻近层卸压瓦斯效果数值模拟分析107-110
• 6.3.1 模拟方法与模型建立107-108
• 6.3.2 结果分析108-110
• 6.4 本章小结110-112
• 7 阳泉南庄煤矿12#煤层上邻近层采动卸压瓦斯协同抽采技术现场试验与效果考察112-124
• 7.1 4611工作面瓦斯抽采效果考察112-117
• 7.1.1 总体抽采效果考察112-114
• 7.1.2 主要抽采指标考察114-117
• 7.2 4606工作面瓦斯抽采效果考察117-119
• 7.3 抽采效果评价119-121
• 7.3.1 有效性119
• 7.3.2 抽采方案应用效益119-120
• 7.3.3 适用性120-121
• 7.4 推广应用121-122
• 7.4.1 大阳泉煤矿概况121
• 7.4.2 应用情况121-122
• 7.4.3 应用效益122
• 7.5 本章小结122-124
• 8 结论与展望124-128
• 8.1 主要结论124-126
• 8.2 主要创新点126-127
• 8.3 有待进一步解决的问题127-128
• 参考文献128-134
• 致谢134-136
• 作者简介136
• 在学期间发表的学术论文136
• 在学期间参加科研项目136
• 主要获奖136

【参考文献】

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本文编号：744836