本文選題：瓦斯抽采　切入點(diǎn)：松軟煤體　出處：《太原理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：采用定向長(zhǎng)鉆孔抽采煤層瓦斯是煤礦井下區(qū)域瓦斯治理的有效手段之一,而我國(guó)松軟煤層分布廣泛,鉆孔過程中塌孔事故時(shí)有發(fā)生,極大地降低了成孔率和瓦斯抽采治理的效果。因此,鉆孔穩(wěn)定性問題是值得深入研究的重要課題,文中以山西長(zhǎng)治余吾煤礦掘進(jìn)工作面抽采鉆孔為研究對(duì)象,通過彈塑性力學(xué)理論分析、有限元數(shù)值模擬和實(shí)例計(jì)算的研究方法,圍繞鉆孔塌孔機(jī)理展開研究,并基于研究結(jié)果優(yōu)化鉆孔布置方式和鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方法。主要結(jié)論如下:(1)建立了考慮巖石應(yīng)變軟化特性的彈塑性力學(xué)模型,得到該力學(xué)模型下鉆孔圍巖彈塑性解;理論計(jì)算表明余吾煤礦松軟煤體鉆孔的塑性區(qū)半徑為鉆孔半徑的1.99倍,巷道塑性區(qū)半徑和應(yīng)力影響半徑的平均值分別為5.02m和17.09m,且分別是巷道等效半徑的2.01倍和6.84倍。根據(jù)解析解提出了軟化綜合系數(shù)N,其值是煤巖體抗剪強(qiáng)度特性參數(shù)、變形特性參數(shù)和原巖應(yīng)力的函數(shù);將N作為鉆孔失穩(wěn)破壞的指標(biāo),表征孔壁軟化程度,其值越大鉆孔越容易失穩(wěn);確定的煤巖體存在臨界值,當(dāng)鉆孔圍巖達(dá)到臨界值時(shí),即出現(xiàn)破裂區(qū),進(jìn)而失穩(wěn)破壞;余吾煤礦煤層鉆孔圍巖軟化綜合系數(shù)的臨界值為2.5。(2)運(yùn)用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)鉆孔圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行模擬研究得到:煤巖體強(qiáng)度越低、原始瓦斯壓力越大、鉆孔半徑越大、抽采時(shí)間越長(zhǎng),鉆孔圍巖塑性區(qū)越大,鉆孔穩(wěn)定性相對(duì)越差;鉆孔開挖后,孔壁圍巖切向應(yīng)力距鉆孔中心2.3r左右達(dá)到應(yīng)力峰值,應(yīng)力集中系數(shù)均小于2;當(dāng)?shù)貞?yīng)力側(cè)壓系數(shù)不為1時(shí),鉆孔圍巖塑性區(qū)和應(yīng)力不再呈現(xiàn)圓形分布,余吾煤礦抽采鉆孔在水平方向上孔壁兩側(cè)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、導(dǎo)致破壞,塑性區(qū)域呈長(zhǎng)軸在水平方向的橢圓狀。(3)通過對(duì)彈塑性力學(xué)模型及其解析解和數(shù)值模擬結(jié)果綜合比較分析得到鉆孔塌孔機(jī)理:鉆孔圍巖應(yīng)變軟化效應(yīng)導(dǎo)致煤體強(qiáng)度下降;瓦斯壓力和吸附膨脹應(yīng)力下降,引起鉆孔圍巖有效應(yīng)力急劇增大和應(yīng)力集中;當(dāng)應(yīng)力超過煤體極限強(qiáng)度時(shí),鉆孔圍巖產(chǎn)生極不穩(wěn)定的破碎區(qū),進(jìn)而發(fā)生塌孔。(4)基于塌孔機(jī)理及鉆孔圍巖彈塑性區(qū)應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律,為了預(yù)防塌孔,結(jié)合余吾煤礦S2108掘進(jìn)工作面采掘條件,提出了采用頂(底)板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔“橫向”或“縱向”布置方式掩護(hù)預(yù)抽掘進(jìn)巷道圍巖瓦斯方案,亦即將抽采主孔布置在穩(wěn)定的巖層中,分支孔則深入煤層從而保證抽采效果。(5)針對(duì)頂(底)板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔,提出了“直線—圓弧—直線”三段式斜平面鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方法,將空間鉆孔軸線簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換至平面內(nèi)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)單快捷,滿足工程精度。(6)提出的鉆孔布置方式與鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方法很好地指導(dǎo)了余吾煤礦煤層瓦斯治理,對(duì)于類似的煤層具有推廣意義。
[Abstract]:It is one of the effective means of gas control in underground coal mine to use directional long borehole to drain coal seam. However, the loose and soft coal seam is widely distributed in our country, and the hole collapse accident occurs frequently in the process of borehole drilling. Therefore, the problem of borehole stability is an important subject worthy of further study. In this paper, the drainage borehole in the excavation face of Changzhi Yuwu Coal Mine in Shanxi Province is taken as the research object. Based on the theoretical analysis of elastic-plastic mechanics, finite element numerical simulation and example calculation, the mechanism of hole collapse in boreholes is studied. Based on the research results, the drilling layout and trajectory design method are optimized. The main conclusions are as follows: 1) the elastoplastic model considering the strain softening characteristics of rock is established, and the elastoplastic solution of the borehole surrounding rock under the model is obtained. Theoretical calculation shows that the radius of plastic zone of soft coal body in Yuwu coal mine is 1.99 times of that of borehole. The average values of plastic zone radius and stress influence radius of roadway are 5.02 m and 17.09 m, respectively, and are 2.01 and 6.84 times of equivalent radius of roadway respectively. According to the analytical solution, the softening comprehensive coefficient N is put forward, which is the characteristic parameter of shear strength of coal and rock mass. The deformation characteristic parameter and the original rock stress function; take N as the borehole instability failure index, characterizes the hole wall softening degree, its value is bigger, the borehole is easier to lose the stability; the determined coal and rock mass has the critical value, when the borehole surrounding rock reaches the critical value, That is, the rupture zone appears, and then the instability is destroyed; The critical value of comprehensive coefficient of surrounding rock softening of coal seam in Yuwu coal mine is 2.5.0.The stress and strain law of borehole surrounding rock is simulated by COMSOL Multiphysics multi-physical field coupling analysis software. The lower the strength of coal and rock mass, the greater the original gas pressure. The larger the radius of the borehole, the longer the extraction time, the larger the plastic zone of the surrounding rock, the worse the stability of the borehole. The stress concentration factor is less than 2, when the stress lateral pressure coefficient is not 1:00, the plastic zone and stress of the borehole surrounding rock will no longer appear circular distribution, and the stress concentration on both sides of the hole wall in the horizontal direction is more easily produced by the extraction borehole in Yuwu Coal Mine, which leads to the destruction of the borehole wall. The plastic region is ellipsoid with long axis in the horizontal direction. By comparing and analyzing the elastoplastic mechanics model, its analytical solution and numerical simulation results, the mechanism of borehole collapse is obtained: the strain softening effect of borehole surrounding rock leads to the decrease of coal strength; The decrease of gas pressure and adsorption expansion stress leads to the sharp increase of effective stress and stress concentration in the surrounding rock of borehole, and when the stress exceeds the limit strength of coal, the rock of borehole produces extremely unstable fracture zone. Based on the mechanism of hole collapse and the rule of stress and strain variation in elastic-plastic zone of surrounding rock of borehole, in order to prevent hole from collapsing, combined with the mining condition of S _ 2108 heading face in Yuwu Coal Mine, This paper puts forward a plan to cover the surrounding rock gas of the roadway by adopting the arrangement of "transverse" or "longitudinal" arrangement of the comb-like directional long hole in the top (bottom) plate, and the main hole of the drainage will be arranged in the stable rock stratum. The branch hole goes deep into the coal seam to ensure the extraction effect. (5) aiming at the comb directional long hole of the top (bottom) plate, a three-section inclined plane drilling trajectory design method of "straight line, circular arc line" type is put forward. The method of borehole layout and borehole trajectory design, which is put forward by simplifying the axis of space drilling to plane design, is simple and quick, and satisfies the engineering precision. It can guide the gas control of coal seam in Yuwu coal mine very well. To the similar coal seam has the popularizing significance.
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD712.6

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;1990年全國(guó)統(tǒng)配煤礦掘進(jìn)工作面指標(biāo)[J];建井技術(shù);1991年04期

2 代紅;;淺談掘進(jìn)工作面的煤質(zhì)管理[J];科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì);2007年04期

3 趙瑞全;;掘進(jìn)工作面自動(dòng)推移掩護(hù)式前探支護(hù)裝置的研制[J];同煤科技;2007年01期

4 侯存義;掘進(jìn)工作面風(fēng)電閉鎖及自動(dòng)監(jiān)測(cè)[J];煤礦安全;1987年12期

5 D.M.瓦特斯;陳深;;掘進(jìn)工作面點(diǎn)冷卻的經(jīng)濟(jì)方法[J];國(guó)外采礦技術(shù)快報(bào);1987年09期

6 王順祥;掘進(jìn)工作面前探梁[J];煤礦安全;1990年03期

7 施式亮,劉寶琛,王海橋;掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用[J];礦冶工程;1998年03期

8 和德江;掘進(jìn)工作面防治突出措施的應(yīng)用及效果[J];中州煤炭;2001年03期

9 周曉娟,王一志,田慶軍;掘進(jìn)工作面沖擊噴霧的試制[J];煤炭技術(shù);2004年03期

10 鄧曉恒;;高突掘進(jìn)工作面裝運(yùn)系統(tǒng)的優(yōu)化[J];煤礦現(xiàn)代化;2010年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前8條

1 傅圣英;任彥斌;;煤巷掘進(jìn)工作面火災(zāi)風(fēng)流狀態(tài)分析及特征[A];第十四屆海峽兩岸及香港、澳門地區(qū)職業(yè)安全健康學(xué)術(shù)研討會(huì)暨中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2006年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2006年

2 魏風(fēng)清;張建國(guó);程偉;;平頂山十礦戊_(9-10)煤層掘進(jìn)工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)初探[A];瓦斯地質(zhì)研究與應(yīng)用——中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)瓦斯地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)第三次全國(guó)瓦斯地質(zhì)學(xué)術(shù)研討會(huì)[C];2003年

3 華照來;;掘進(jìn)工作面探放水技術(shù)在王村煤礦的應(yīng)用[A];安全高效礦井安全保障技術(shù)——陜西省煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（2011）[C];2011年

4 李海貴;劉立州;李宏;;煤巷掘進(jìn)工作面巷幫應(yīng)力分布規(guī)律研究[A];瓦斯地質(zhì)研究進(jìn)展2013[C];2013年

5 朱德山;;第二煤礦三水平三區(qū)段30號(hào)層掘進(jìn)工作面供電系統(tǒng)的優(yōu)化[A];第四屆全國(guó)煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集[C];2009年

6 武光輝;;長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面瓦斯涌出分析及治理實(shí)踐[A];安全高效礦井安全保障技術(shù)——陜西省煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（2011）[C];2011年

7 劉明旺;;連續(xù)牽引車在掘進(jìn)工作面的應(yīng)用[A];2003年度優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文集——煤礦先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2003年

8 王剛;;復(fù)采下分層掘進(jìn)工作面水患分析及防治措施[A];第3屆全國(guó)煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集[C];2008年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前8條

1 李晉峰邋王紅斌;王莊礦建成國(guó)內(nèi)首個(gè)自動(dòng)化掘進(jìn)工作面[N];山西日?qǐng)?bào);2008年

2 李晉峰 王紅斌;潞安王莊礦建成自動(dòng)化掘進(jìn)工作面[N];中國(guó)煤炭報(bào);2008年

3 李晉峰 王紅斌;潞安集團(tuán)王莊礦建成國(guó)內(nèi)首個(gè)自動(dòng)化掘進(jìn)工作面[N];山西科技報(bào);2008年

4 李晉峰邋王紅斌;王莊礦:建成首個(gè)自動(dòng)化掘進(jìn)工作面[N];山西經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2008年

5 特約記者 張春梅　于博 張玉禮;礦長(zhǎng)幫咱想辦法[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2008年

6 王紅斌邋張路剛;自主創(chuàng)新 攀登新高峰[N];山西經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2008年

7 中新;十月下旬以來發(fā)生六起較大以上煤礦事故[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2007年

8 記者孫付民;東龐礦紅色預(yù)警高瓦斯掘進(jìn)工作面安全貫通[N];民營(yíng)經(jīng)濟(jì)報(bào);2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 公建祥;煤礦掘進(jìn)工作面事故預(yù)防的行為控制技術(shù)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

2 李傳明;煤層力學(xué)特征與瓦斯賦存狀態(tài)演化采掘響應(yīng)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）;2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 崔超;深部礦井熱害及掘進(jìn)工作面熱環(huán)境研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

2 劉寶貝;掘進(jìn)工作面前方斷層構(gòu)造的聲電響應(yīng)規(guī)律研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2016年

3 胡慧慧;掘進(jìn)工作面通風(fēng)風(fēng)場(chǎng)及粉塵運(yùn)移規(guī)律研究[D];西南科技大學(xué);2016年

4 楊延龍;掘進(jìn)工作面旋流通風(fēng)流場(chǎng)CFD仿真及控塵能力研究[D];中北大學(xué);2017年

5 李創(chuàng)起;煤礦掘進(jìn)工作面復(fù)雜環(huán)境下人的安全行為模式研究[D];河南理工大學(xué);2012年

6 朱庭浩;巖巷掘進(jìn)工作面熱環(huán)境研究[D];安徽理工大學(xué);2010年

7 李凌麗;巖巷掘進(jìn)工作面的危險(xiǎn)源辨識(shí)與評(píng)價(jià)[D];西安科技大學(xué);2011年

8 劉春洋;掘進(jìn)工作面環(huán)流氣水霧化除塵裝置的研究[D];太原理工大學(xué);2015年

9 周少柳;熱害礦井掘進(jìn)工作面熱環(huán)境數(shù)值模擬研究[D];西安科技大學(xué);2017年

10 王武超;豫西松軟煤層掘進(jìn)工作面低指標(biāo)突出機(jī)理及應(yīng)用研究[D];西安科技大學(xué);2017年

，

本文編號(hào)：1583464