综采放顶煤开采瓦斯运移规律及控制技术应用研究

发布时间：2017-09-17 16:16

  本文关键词：综采放顶煤开采瓦斯运移规律及控制技术应用研究

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【摘要】：高瓦斯综采放顶煤开采受煤层瓦斯含量高,开采强度大,采空区遗煤多等因素影响,局部区域极易形成瓦斯积聚,由此引发的瓦斯灾害事故时有发生。为解决高瓦斯综采放顶煤开采瓦斯灾害问题,以余吾煤业N2105工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟、相似实验及现场应用相结合的方法,研究了综放工作面预抽煤层、采空区及工作面的瓦斯运移规律。分析可能导致综采放顶煤开采瓦斯积聚的影响因素,确定了本煤层顺层交叉钻孔预抽瓦斯、采空区裂隙带钻孔及上隅角插管抽采瓦斯、优化回采工艺参数的瓦斯综合治理方案,并进行了现场应用。根据多孔介质渗流理论,建立了综放工作面预抽煤层瓦斯解吸-扩散的数学模型、采空区瓦斯渗流的数学模型及工作面瓦斯扩散的数学模型,给出了模型的边界及初始条件,对模型进行了求解。模型的建立为数值模拟和相似实验提供了理论依据,为确定瓦斯积聚影响因素奠定了基础。针对余吾煤业N2105工作面的实际情况,建立综放工作面预抽煤层、采空区及工作面的几何模型,利用边界及初始条件确定求解参数,进行数值模拟。得出了预抽煤层透气性的影响范围为1.0-1.7m、瓦斯原始压力的影响范围为0.4-0.6m、钻孔孔径的影响范围为其直径的6-7倍：工作面采用“U+L”或“U+I”型通风方式,更有利于降低采空区瓦斯浓度,减少采空区瓦斯向工作面的渗流；确定了工作面通风方式为“U+L”型、风速为2.5-3.0m/s、推进速度为4.8m/d的回采工艺,极大提高了风排瓦斯量,减少了工作面瓦斯的积聚。利用采空区瓦斯的渗流方程,导出了相似实验模拟工作面采空区瓦斯运移的长度(xr)、充填料粒径(dn,)、渗流速度(u,)、孔隙率(δr)、流体压力(Pfr)、温度(Tr)及流量(qr)的相似准则数。结合计算确定的采空区“三带”的范围,建立了工作面采空区相似实验模型。研究了采空区气流流动及瓦斯浓度分布规律,确定了通风方式、工作面风速等影响采空区瓦斯积聚的因素。依据理论分析、数值模拟及实验研究, 确定了N2105工作面本煤层顺层交叉钻孔预抽瓦斯,采空区裂隙带钻孔(钻场裂隙带钻孔、千米裂隙带钻孔)、上隅角插管抽采瓦斯及优化综放工作面回采工艺参数的瓦斯综合治理方案。进行了现场应用,取得良好效果。
【关键词】：综放工作面 瓦斯运移规律 相似实验 数值模拟 控制技术
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 引言11-12
• 2 文献综述12-24
• 2.1 选题的意义及目的12-13
• 2.1.1 选题意义12-13
• 2.1.2 课题来源及研究目的13
• 2.2 综采放顶煤开采瓦斯运移规律国内外研究现状13-17
• 2.2.1 瓦斯多场耦合规律国内外研究现状14-16
• 2.2.2 线性瓦斯渗流规律国内外研究现状16
• 2.2.3 非线性瓦斯渗流规律国内外研究现状16-17
• 2.3 综采放顶煤开采瓦斯灾害控制技术国内外研究现状17-20
• 2.3.1 瓦斯致灾因素控制技术国内外研究现状18-19
• 2.3.2 瓦斯抽放技术国内外研究现状19-20
• 2.4 课题的研究内容及方法20-24
• 2.4.1 研究内容20-21
• 2.4.2 研究方法21-24
• 3 综采放顶煤开采瓦斯运移规律理论研究24-50
• 3.1 综放工作面预抽煤层瓦斯运移规律研究24-38
• 3.1.1 预抽煤层瓦斯解吸-扩散数学模型的建立26-30
• 3.1.2 预抽煤层瓦斯解吸-扩散方程定解条件建立30-33
• 3.1.3 预抽煤层瓦斯解吸-扩散方程的差分离散33-37
• 3.1.4 预抽煤层瓦斯解吸-扩散方程求解37-38
• 3.2 综放工作面采空区瓦斯运移规律研究38-43
• 3.2.1 采空区瓦斯渗流数学模型的建立38-41
• 3.2.2 采空区瓦斯渗流方程定解条件建立41
• 3.2.3 采空区瓦斯渗流方程求解41-43
• 3.3 综放工作面瓦斯运移规律研究43-49
• 3.3.1 综放工作面瓦斯扩散数学模型的建立43-45
• 3.3.2 综放工作面瓦斯扩散方程定解条件建立45-47
• 3.3.3 综放工作面瓦斯扩散方程求解47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 4 综采放顶煤开采瓦斯运移规律数值模拟研究50-81
• 4.1 综放工作面预抽煤层瓦斯运移规律数值模拟研究50-55
• 4.1.1 几何模型的建立及模拟参数的确定50-51
• 4.1.2 预抽煤层瓦斯运移规律的数值模拟51-55
• 4.1.3 预抽钻孔控制范围影响因素分析55
• 4.2 综放工作面采空区瓦斯运移规律数值模拟研究55-71
• 4.2.1 几何模型的建立及模拟参数的确定55-59
• 4.2.2 采空区瓦斯运移规律的数值模拟59-68
• 4.2.3 采空区瓦斯运移规律的对比分析68-70
• 4.2.4 采空区瓦斯运移影响因素分析70-71
• 4.3 综放工作面瓦斯运移规律数值模拟研究71-79
• 4.3.1 几何模型的建立及模拟参数的确定71-73
• 4.3.2 工作面瓦斯运移规律的数值模拟73-78
• 4.3.3 工作面瓦斯积聚影响因素分析78-79
• 4.4 本章小结79-81
• 5 综采放顶煤开采工作面采空区瓦斯运移规律相似实验研究81-117
• 5.1 相似实验模型的建立81-92
• 5.1.1 相似原理及量纲分析81-83
• 5.1.2 相似准则数导出与简化83-87
• 5.1.3 工作面及采空区相似模型的建立87-92
• 5.2 实验辅助系统、参数测点布置及方案过程92-97
• 5.2.1 实验模型辅助系统93-94
• 5.2.2 实验测点布置94
• 5.2.3 实验方案与过程94-97
• 5.3 相似实验结果及分析97-110
• 5.3.1 采空区气流流速分布规律分析97-101
• 5.3.2 不同风速下采空区CH_4浓度实测分析101-103
• 5.3.3 U型通风方式下采空区CH_4浓度实测分析103-105
• 5.3.4 U+L型通风方式下采空区CH_4浓度实测分析105-107
• 5.3.5 U+I型通风方式下采空区CH_4浓度实测分析107-109
• 5.3.6 不同通风方式下CH_4浓度对比分析109-110
• 5.4 实验结果与数值模拟对比分析110-115
• 5.4.1 几何模型的建立及模拟参数的确定110-111
• 5.4.2 模拟结果与实验数据的对比分析111-115
• 5.5 本章小结115-117
• 6 综采放顶煤开采瓦斯控制技术及应用研究117-136
• 6.1 综放工作面瓦斯来源及控制技术研究117-120
• 6.1.1 现场概况117
• 6.1.2 瓦斯来源分析117-118
• 6.1.3 控制技术研究118-120
• 6.2 综放工作面本煤层顺层钻孔预抽技术应用研究120-123
• 6.2.1 抽采工艺选择120-121
• 6.2.2 抽采效果及分析121-123
• 6.3 综放工作面采空区瓦斯控制技术应用研究123-133
• 6.3.1 抽采工艺选择123-130
• 6.3.2 抽采效果及分析130-133
• 6.4 综放工作面回采工艺参数优化应用研究133-135
• 6.4.1 回采工艺参数优化133
• 6.4.2 回采工艺参数优化效果及分析133-135
• 6.5 本章小结135-136
• 7 结论136-139
• 7.1 结论136-138
• 7.2 创新点138
• 7.3 建议与展望138-139
• 参考文献139-151
• 附录151-155
• 作者简历及在学研究成果155-159
• 学位论文数据集159

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 单亚飞,王树刚,周西华;采场自然发火模拟计算的数学模型及其解法[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2002年02期

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本文编号：870405