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

发布时间：2017-09-19 21:44

  本文关键词：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

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【摘要】：急倾斜煤层由于其赋存特殊性,煤体受挤压破坏较为严重,大多数急倾斜煤层为高瓦斯或突出煤层,大量研究表明开采保护层结合卸压瓦斯抽采是最安全、最有效的区域性防突措施。本文以义马煤业集团李沟矿保护层开采为工程背景,采用理论分析、实验室实验、数值分析和现场实验相结合的研究手段;系统分析了急倾斜近距离下保护层开采岩层移动变形、裂隙动态演化及应力变化规律;构建了保护层开采煤岩变形与卸压瓦斯流动气固耦合模型,利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件开展了急倾斜近距离下保护层开采结合卸压瓦斯抽采数值模拟,并在现场工程得以应用。主要研究成果和结论有:裂隙随着保护层工作面的推进从下至上逐步发育,从产生、发展到闭合是一个动态过程,以顺层裂隙发育为主,局部发育小规模穿层裂隙,二者交错贯穿保护层与被保护层。顶板未出现大范围垮塌,以缓慢下沉为主,采动影响范围波及被保护层,但未破坏被保护层开采条件,受采落矸石充填作用影响,正常开采阶段顶板最大挠度小于初次垮落阶段。裂隙发育及岩层移动可为卸压瓦斯运移和瓦斯抽采提供有效通道。应力卸压最大位置与岩层移动最大位置基本重合,随采动影响呈现原始应力→应力集中→应力下降→应力恢复的变化规律,倾斜上部卸压程度高于下部。基于含瓦斯煤体有效应力原理、煤基质吸附膨胀/解吸收缩变形以及采动应力变化的影响,得出了孔隙率和渗透率演化模型,以此为耦合变量,构建了保护层开采煤岩变形与卸压瓦斯流动气固耦合模型。利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件开展了急倾斜近距离下保护层开采结合卸压瓦斯抽采数值模拟,获得了不同采动卸压范围、不同抽采时间的抽采影响半径,在地质条件和开采条件相同的情况下,走向抽采半径大于倾向。现场工程实践表明,有效保护范围内被保护层瓦斯含量由原始的6.15~9.50m3/t降为2.18~4.83m3/t,瓦斯压力由0.88~1.35MPa降为0.20~0.35MPa,透气性系数由0.3541~0.3849m2/(MPa2.d)上升到66.0~80.25m2/(MPa2.d),平均增加198倍,评判区域内瓦斯抽采率达50.93%。倾斜上部卸压角按86°划定,倾斜下部卸压角按70°划定,走向开切眼端卸压角按58°划定。对于该类型保护层开采,无需另行施工专用顶(底)板岩巷,利用保护层工作面沿空留巷顺槽施工倾斜穿层钻孔可以有效抽采被保护层卸压瓦斯,消除被保护层突出危险性。相同地质条件下保护层开采比水力冲孔卸压更充分、更均匀,再一次证明了保护层开采在防治煤与瓦斯突出中的重要性。初步形成了一套“基于瓦斯地质的突出危险性预评价→突出危险性区域预测→保护层开采可行性分析→保护层开采+卸压瓦斯抽采→抽采达标评判”的完整体系。为该矿及豫西地区选择一煤组作为保护层,保护上覆二煤组提供了技术参数,也为李沟矿及豫西地区未来区域瓦斯治理提供了一定依据。
【关键词】：急倾斜煤层 保护层开采 岩层移动 卸压瓦斯抽采
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-31
• 1.1 问题提出及选题依据13-15
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题15-23
• 1.2.1 保护层开采技术研究现状15-17
• 1.2.2 保护层开采覆岩移动规律及裂隙演化研究现状17-19
• 1.2.3 煤层瓦斯渗流耦合理论研究现状19-21
• 1.2.4 保护层开采卸压瓦斯抽采21-23
• 1.2.5 前期研究重点及待解决的主要问题23
• 1.3 研究内容及方法23-24
• 1.3.1 本文研究内容23-24
• 1.3.2 研究技术路线24
• 参考文献24-31
• 2 急倾斜煤层赋存及瓦斯地质特征31-43
• 2.1 急倾斜煤层分布及埋藏特征31-35
• 2.1.1 急倾斜煤层分布特征31-33
• 2.1.2 急倾斜煤层埋藏特征33-34
• 2.1.3 急倾斜煤层开采特点34-35
• 2.2 李沟井田瓦斯赋存规律及煤与瓦斯突出特征35-41
• 2.2.1 瓦斯赋存规律35-37
• 2.2.2 煤与瓦斯突出特征及控制因素37-41
• 2.3 本章小结41
• 参考文献41-43
• 3 急倾斜近距离下保护层开采相似模拟实验研究43-71
• 3.1 相似模拟试验理论概述43-44
• 3.1.1 相似定理43-44
• 3.1.2 相似准则44
• 3.2 相似模拟试验设计44-46
• 3.2.1 实验原型44-45
• 3.2.2 相似模拟模型设计45-46
• 3.3 相似材料的选取及配比46-49
• 3.3.1 相似材料选取46-47
• 3.3.2 相似材料配比47-49
• 3.4 实验过程及观测49-52
• 3.4.1 模型观测方案49-51
• 3.4.2 实验过程51-52
• 3.5 模型开采与实验结果分析52-68
• 3.5.1 模型开采过程52-54
• 3.5.2 上覆煤岩体裂隙发育特征54-55
• 3.5.3 上覆岩层及被保护层移动变形规律55-59
• 3.5.4 应力演化规律59-62
• 3.5.5 保护范围及垮落角62-64
• 3.5.6 声发射特征64-68
• 3.6 本章小结68-69
• 参考文献69-71
• 4 急倾斜近距离下保护层开采岩层移动变形规律71-93
• 4.1 急倾斜煤层开采覆岩移动特征71-73
• 4.1.1 岩体的原始应力状态71
• 4.1.2 急倾斜下保护层采空区上覆煤岩体移动特征71-73
• 4.2 急倾斜下保护层开采顶板破断规律73-80
• 4.2.1 急倾斜顶板受力分析73-75
• 4.2.2 顶板初次垮落薄板分析75-78
• 4.2.3 正常开采阶段薄板分析78-80
• 4.3 被保护层应力分布及移动变形数值模拟研究80-91
• 4.3.1 概述80-81
• 4.3.2 数值模型的建立81-82
• 4.3.3 监测点布置82-83
• 4.3.4 一_8煤层开采后二_1煤的应力演化规律83-88
• 4.3.5 一_8煤层开采后二_1煤的膨胀变形规律88-91
• 4.4 本章小结91-92
• 参考文献92-93
• 5 急倾斜近距离下保护层开采气固耦合模型及数值模拟93-121
• 5.1 保护层开采煤岩变形与卸压瓦斯流动气固耦合模型93-107
• 5.1.1 煤层瓦斯赋存的含量方程94
• 5.1.2 瓦斯流动控制方程94-96
• 5.1.3 瓦斯流动连续性方程96-98
• 5.1.4 含瓦斯煤体有效应力分析98-101
• 5.1.5 含瓦斯煤体孔隙率及渗透率方程101-104
• 5.1.6 采动煤岩体变形方程104-106
• 5.1.7 采动煤岩体屈服准则106-107
• 5.2 急倾斜近距离下保护层开采卸压瓦斯抽采气固耦合数值模拟107-118
• 5.2.1 软件功能模块107
• 5.2.2 数值模拟过程107-109
• 5.2.3 被保护层瓦斯压力变化规律109-118
• 5.3 本章小结118-119
• 参考文献119-121
• 6 急倾斜近距离下保护层开采卸压瓦斯抽采工程实践121-143
• 6.1 保护层开采工程概况121-125
• 6.1.1 矿井概况121
• 6.1.2 煤层突出危险性分析121-123
• 6.1.3 保护层开采可行性分析123-124
• 6.1.4 保护层及被保护层开采范围124-125
• 6.2 保护层开采综合瓦斯治理125-127
• 6.2.1 保护层工作面风排瓦斯治理125-126
• 6.2.2 采空区埋管抽放瓦斯126
• 6.2.3 保护层工作面顺槽倾斜穿层钻孔卸压瓦斯抽采126-127
• 6.3 保护层开采卸压效果考察127-135
• 6.3.1 被保护层瓦斯压力变化127-129
• 6.3.2 被保护层透气性系数变化129
• 6.3.3 被保护层瓦斯涌出考察129-131
• 6.3.4 保护范围及卸压角考察131-135
• 6.4 区域防突补充措施135-136
• 6.5 瓦斯抽采达标评判136-140
• 6.5.1 区域措施效果检验136-138
• 6.5.2 被保护层掘进工作面突出危险性预测与检验138-140
• 6.6 本章小结140-143
• 7 结论与展望143-147
• 7.1 主要结论143-145
• 7.2 论文创新点145
• 7.3 研究展望145-147
• 作者简历147-149
• 学位论文数据集149

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