单一高瓦斯厚煤层下保护层开采卸压特性及瓦斯运移规律研究

发布时间：2017-08-30 06:39

  本文关键词：单一高瓦斯厚煤层下保护层开采卸压特性及瓦斯运移规律研究

  更多相关文章： 保护层开采 裂隙发育 瓦斯渗流 瓦斯抽采 单一厚煤层

【摘要】：结合保护层开采进行卸压瓦斯抽采是最合理有效的区域瓦斯治理技术之一,在单一厚煤层开采矿区,由于无临近煤层作为保护层,如何选择合理的岩层作为保护层开采是在单一厚煤层开采过程中瓦斯治理的关键问题之一。本文以鹤壁矿区中泰公司下保护层开采为研究对象,结合关键层理论,采用理论分析、实验室研究、数值模拟、相似模拟实验、现场实测等方法,研究被保护层的裂隙发育规律、渗透特性和瓦斯运移特征。取得的主要研究成果如下:(1)结合鹤壁矿区单一高瓦斯低渗透性厚煤层长期无保护层开采的地质特点,提出了煤岩复合保护层开采区域瓦斯治理方法;理论计算得出,鹤壁中泰公司下保护层合理开采厚度1.5m,冒落带最大高度为7.58m,裂隙带高度为30.57~48.37m,保护层开采能有效增加二1煤层透气性。(2)保护层开采上覆岩层裂隙发育规律模拟研究表明,沿保护层工作面推进方向上形成裂隙开启区、裂隙发育区、裂隙萎缩区和裂隙闭合区四个区域;被保护层处在保护层开采的裂隙带上部或弯曲下沉带下部,走向卸压角为70°,倾向上山卸压角为55~64°,倾向下山卸压角为68~78°,膨胀变形率最高达到26.37‰。(3)基于煤的孔—裂隙双重介质物理模型,建立了考虑煤层有效应力、吸附膨胀效应和外载应力共同控制下的煤体渗透率模型,得出保护层开采过程中被保护层瓦斯渗透率随煤层应力的变化规律。(4)应用“含瓦斯煤岩三轴伺服渗流”实验装置,对煤样进行了含瓦斯条件下的不同围压渗透特性试验,研究了原煤煤样在模拟地应力场中的瓦斯渗流特性;实验表明,峰值破坏前,随着煤样膨胀变形增大,瓦斯渗透率先减小,后缓慢增加,煤样破裂后,煤样中瓦斯渗流通道数目增多,通道的横截面积增大,瓦斯渗透率急剧增大,瓦斯渗透率与膨胀变形率的变化近似为线性关系。根据煤样不同强度阶段,将瓦斯透气性分为稳定吸附阶段、渗流衰减阶段、瓦斯渗流缓增阶段、渗流突增阶段、渗流稳增阶段及渗流激增阶段6个阶段。(5)基于流体力学和流固耦合力学理论,建立了气固耦合渗透率动态模型,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics,分析采动卸压与钻孔抽采双重条件下瓦斯流场变化特征与卸压效果;结果表明,随着保护层工作面不断推进,在采动卸压与钻孔抽采(钻场间距40m)双重作用下,被保护煤层内游离瓦斯以及解吸瓦斯不断向采空区及钻孔内运移,被保护层瓦斯压力不断降低,卸压范围不断扩大。当工作面推进到140m时,在卸压与抽采双重作用下,被保护层卸压范围内瓦斯压力基本降低到了突出压力0.74MPa以下。(6)现场岩层裂隙探测和钻孔窥视结果表明,保护层开采后,被保护层最大膨胀率达到27.4‰;保护层卸压影响范围内钻孔多环向、轴—环向交错裂缝,部分地方孔壁破坏严重,浅部离层较为明显,保护层卸压影响范围外钻孔裂缝较少,多处孔壁光滑,说明保护层开采对被保护层起到了很好的卸压作用,被保护层煤层及其顶底板裂隙发育充分,有利于被保护层瓦斯运移和瓦斯抽采。(7)现场实测瓦斯抽采参数结果表明,被保护层瓦斯抽采参数变化规律与保护层开采矿压显现规律相对应,保护层工作面后方上覆被保护层的0~10m范围内为抽采开启区,10~40m为抽采最佳区,40~60m为抽采衰减区,60m以后为抽放衰竭区;钻场的最佳瓦斯抽采范围为工作面推进到钻场前方3m左右至钻场后方21m左右;保护层开采后的最大残余瓦斯含量1.83m3/t,远低于煤与瓦斯突出临界指标值以下,开采保护层并结合卸压瓦斯抽采有效地消除了二1煤层的突出危险性。为鹤壁矿区单一厚煤层开采瓦斯治理提供了一条新途径。
【关键词】：保护层开采 裂隙发育 瓦斯渗流 瓦斯抽采 单一厚煤层
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-21
• 1.1 选题的意义13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 保护层开采研究现状13-16
• 1.2.2 煤岩力学性质与瓦斯渗流理论研究现状16-18
• 1.3 主要研究内容和技术路线18-21
• 1.3.1 主要研究内容18-19
• 1.3.2 技术路线19-21
• 2 单一高瓦斯厚煤层下保护层开采方案的提出21-31
• 2.1 鹤壁矿区瓦斯治理现状21-23
• 2.1.1 区域瓦斯治理措施21
• 2.1.2 回采工作面瓦斯治理措施21-22
• 2.1.3 煤巷掘进瓦斯治理措施22-23
• 2.2 单一高瓦斯厚煤层下保护层开采区域瓦斯治理方案的提出23-26
• 2.2.1 保护层位置的确定23-25
• 2.2.2 保护层开采厚度的确定25-26
• 2.3 保护层开采可行性分析26-28
• 2.3.1 层间合理间距26-27
• 2.3.2 垂直方向“三带”高度预测27-28
• 2.4 煤岩复合层保护层开采方法及参数选择28-30
• 2.4.1 保护层工作面布置28-29
• 2.4.2 保护层工作面设备及回采工艺29-30
• 2.5 小结30-31
• 3 保护层开采上覆岩层裂隙发育规律研究31-53
• 3.1 保护层开采上覆岩层裂隙发育规律数值模拟分析31-39
• 3.1.1 数值模型建立31-32
• 3.1.2 应力、下沉量和膨胀变形规律32-36
• 3.1.3 卸压角确定36-39
• 3.2 保护层开采上覆岩层裂隙发育规律相似模拟实验研究39-51
• 3.2.1 实验目的39
• 3.2.2 实验模型39-42
• 3.2.3 观测方案42-43
• 3.2.4 倾向模型实验结果分析43-50
• 3.2.5 走向模型实验结果分析50-51
• 3.3 小结51-53
• 4 保护层开采卸压瓦斯运移规律研究53-89
• 4.1 保护层开采应力作用下被保护层煤体渗透率变化动态模型53-64
• 4.1.1 基本假设53
• 4.1.2 煤体变形方程53-54
• 4.1.3 煤体瓦斯渗流运动连续性方程54-56
• 4.1.4 孔隙度及渗透率动态模型的建立56-62
• 4.1.5 动态渗透率模型理论计算分析62-64
• 4.2 煤样渗透性试验64-76
• 4.2.1 试验方案64-66
• 4.2.2 试验结果分析66-73
• 4.2.3 瓦斯渗流阶段划分73-74
• 4.2.4 应力、膨胀变形与渗透率关系研究74-76
• 4.3 保护层开采过程中被保护层瓦斯渗透率变化分析76-78
• 4.4 保护层开采卸压瓦斯气固耦合分析78-87
• 4.4.1 保护层开采卸压瓦斯气固耦合数值模型建立78-80
• 4.4.2 方案Ⅰ计算结果分析80-82
• 4.4.3 方案Ⅱ计算结果分析82-84
• 4.4.4 方案III计算结果分析84-86
• 4.4.5 方案Ⅳ计算结果分析86-87
• 4.5 小结87-89
• 5 保护层开采保护效果观测与评价89-115
• 5.1 保护层工作面顶板岩层破坏特征探测89-99
• 5.1.1 观测内容89
• 5.1.2 钻场及钻孔布置89-92
• 5.1.3 观测仪器及观测方法92-93
• 5.1.4 观测结果与分析93-99
• 5.2 保护层工作面矿压显现规律观测99-102
• 5.3 保护层开采矿压显现对瓦斯抽采效果影响分析102-106
• 5.4 保护层开采对钻场瓦斯抽采效果影响分析106-110
• 5.4.1 钻场瓦斯抽采参数观测与结果分析106-108
• 5.4.2 33071 抽采总管瓦斯抽采参数观测与结果分析108-110
• 5.5 被保护层工作面煤层残余瓦斯含量测试分析110-112
• 5.5.1 倾向方向残余瓦斯含量测试110-111
• 5.5.2 向走方向残余瓦斯含量测试111-112
• 5.6 小结112-115
• 6 结论与展望115-119
• 6.1 主要结论115-116
• 6.2 创新点116-117
• 6.3 展望117-119
• 参考文献119-125
• 作者简历125-127
• 学位论文数据集127

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李志强;刘勇;;黔金矿区保护层保护效果的研究[J];科协论坛(下半月);2009年12期

2 屈永安;;桑树坪煤矿保护层开采效果初探[J];陕西煤炭;2010年03期

3 孟战成;魏风清;史广山;李振兴;李连昌;;近距离上保护层开采保护范围研究[J];煤炭工程;2013年03期

4 童云飞,樊传兵;潘一矿下保护层开采效果探析[J];矿业安全与环保;2003年S1期

5 李青松;王兆丰;陈向军;覃木广;贺智勇;;潘二矿上保护层开采保护效果及参数考察研究[J];煤炭工程;2007年05期

6 付亿杰;董化洲;;保安煤矿突出矿井下保护层的选择分析[J];河北煤炭;2011年02期

7 徐刚;;下保护层开采技术在渝阳煤矿的应用[J];中州煤炭;2011年09期

8 王永辉;王培强;;上保护层开采的相似材料模拟试验研究[J];煤矿现代化;2011年05期

9 田坤云;唐现奇;刘志源;郑吉玉;;上保护层开采的保护效果及裂隙带分析[J];煤炭工程;2014年04期

10 高祥;保护层开采的保护范围和效果的研究[J];煤炭技术;2004年09期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 屈永安;;桑树坪煤矿保护层开采效果初探[A];安全高效矿井安全保障技术——陕西省煤炭学会学术年会论文集（2011）[C];2011年

2 王家臣;邵太升;赵洪宝;;上保护层厚度对保护层开采效果影响数值模拟研究[A];岩石力学与工程的创新和实践：第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年

3 孙培德;鲜学福;;上保护层保护范围的固气耦合分析[A];第六届全国岩石动力学学术会议文集[C];1998年

4 徐传田;;海孜矿开采远距离下保护层解突效果研究[A];瓦斯地质理论与实践——中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会第五次全国瓦斯地质学术研讨会论文集[C];2005年

5 孙波;何晓东;;被保护层开采突出危险性评价方法[A];煤矿重大灾害防治技术与实践——2008年全国煤矿安全学术年会论文集[C];2008年

6 王公忠;田坤云;王国际;;上保护层开采保护范围确定及其数值模拟[A];瓦斯地质研究进展2013[C];2013年

7 王建军;;BC-1型变形仪在开采保护层中的应用[A];中国煤炭学会煤矿安全专业委员会2009年学术研讨会交流论文（部分）[C];2009年

8 赵斌;王楚光;;新庄孜矿保护层的科学选择[A];2010年度淮南矿业集团煤炭学会学术交流会论文汇编（一）·地质专业[C];2010年

9 刘结高;;保护层开采工作面瓦斯涌出量预测研究[A];第3届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C];2008年

10 陈寒秋;;平煤八矿远程保护层开采技术研究[A];煤炭科学与技术研究论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 许翼鹏　记者 郝玲;祁东矿保护层开采成为“防突”新盾牌[N];中国企业报;2009年

2 李勇;渝阳煤矿近水平煤层下保护层开采技术成功通过鉴定[N];经理日报;2008年

3 赵凯;打通一矿薄煤层钻孔施工采用新工艺获成功[N];经理日报;2008年

4 本报记者 鲁松 本报通讯员 程宫;潘二矿12124工作面双保护层开采成效显著[N];淮南日报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 常中保;无煤柱开采保护层覆岩裂隙发育及瓦斯抽采技术[D];中国矿业大学(北京);2015年

2 彭信山;急倾斜近距离下保护层开采岩层移动及卸压瓦斯抽采研究[D];河南理工大学;2015年

3 马建宏;单一高瓦斯厚煤层下保护层开采卸压特性及瓦斯运移规律研究[D];河南理工大学;2016年

4 袁东升;近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究[D];河南理工大学;2010年

5 魏刚;红菱煤矿上保护层开采防突理论及关键技术研究[D];辽宁工程技术大学;2012年

6 胡国忠;急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的关键问题研究[D];重庆大学;2009年

7 惠功领;煤矿深部近距低采高上保护层开采瓦斯灾害协同控制技术[D];中国矿业大学;2011年

8 邵太升;黄沙矿上保护层开采卸压释放作用研究[D];中国矿业大学（北京）;2011年

9 陈海栋;保护层开采过程中卸载煤体损伤及渗透性演化特征研究[D];中国矿业大学;2013年

10 刘海波;极薄保护层钻采上覆突出煤层变形与透气性分布规律及在卸压瓦斯抽采中的应用[D];中国矿业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 万永斌;突出矿井保护层选择及开采顺序的研究[D];贵州大学;2015年

2 汪扬辉;谢一矿5121（S）B9b工作面保护层开采瓦斯治理技术研究[D];安徽理工大学;2016年

3 李永冲;上保护层开采煤岩变形规律研究及保护效果考察[D];中国矿业大学;2016年

4 焦振华;下保护层开采覆岩裂隙演化及卸压程度研究[D];河南理工大学;2014年

5 李峰;薄煤层下保护层开采保护范围及卸压瓦斯抽采研究[D];贵州大学;2016年

6 孟超;西马矿1327充填工作面下保护层开采防突效果分析[D];辽宁工程技术大学;2014年

7 丁勇;兴隆煤矿倾斜俯伪斜下保护层开采保护范围的研究[D];重庆大学;2016年

8 赵云峰;下保护层保护效果关键影响因素评价[D];重庆大学;2016年

9 郑吉玉;王行庄矿保护层开采的卸压影响范围及消突效果研究[D];河南理工大学;2012年

10 孟令君;西马矿下保护层最小可采层间距的分析研究[D];辽宁工程技术大学;2012年

，

本文编号：757819