【摘要】：鉆孔抽采是煤礦瓦斯災(zāi)害防治的主要技術(shù)措施，其中鉆孔密封是決定瓦斯抽采效果的重要環(huán)節(jié)。然而瓦斯抽采過程中煤巖裂隙發(fā)育導(dǎo)致瓦斯抽采濃度低、衰減快，存在重大安全隱患：抽采系統(tǒng)內(nèi)低濃度瓦斯易落入爆炸極限范圍內(nèi)，，存在爆炸風(fēng)險；孔外裂隙內(nèi)高濃度氧氣易引起煤體氧化自燃，可誘發(fā)瓦斯燃燒（或爆炸）。本文以提高瓦斯抽采濃度為切入點，對鉆孔圍巖滲流特性和粉體封堵機理進行了研究，為有效封堵孔外漏氣裂隙提高瓦斯抽采濃度提供理論依據(jù)。主要成果如下： 采用理論分析、模型試驗和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法研究了鉆孔周邊裂隙區(qū)分布特性：（1）鉆孔開挖形成的裂隙區(qū)范圍是在巷道開挖形成的圍巖裂隙區(qū)基礎(chǔ)上沿鉆孔軸向呈“先增、后減、隨后穩(wěn)定”的形式擴展；（2）鉆孔開挖卸荷后，孔上、下方形成垮塌區(qū)，左右兩側(cè)形成破碎區(qū)，最終由圓形變成“類橄欖球”形，且其長軸與最大主應(yīng)力方向垂直；（3）裂隙區(qū)內(nèi)主要存在宏觀和微觀的直、彎折和分叉裂隙三種裂隙形態(tài)，大部分宏觀裂隙的寬度和長度分別小于5mm和50mm。 采用實驗室試驗和數(shù)值計算的方法研究了巷道及鉆孔先后開挖引起的有效應(yīng)力與滲透性演化特性：（1）巷道開挖使巷道徑向方向依次形成完全滲流區(qū)（裂隙區(qū)）、過渡滲流區(qū)、滲流屏蔽區(qū)和原巖滲流區(qū)。鉆孔開挖使“四區(qū)”以鉆孔為對稱軸沿鉆孔方向繼續(xù)擴展；（2）完全滲流區(qū)和滲流屏蔽區(qū)內(nèi)煤體滲透率隨有效應(yīng)力增大而呈負指數(shù)遞減變化，隨瓦斯壓力增大而降低；完全滲流區(qū)和滲流屏蔽區(qū)內(nèi)的滲透率分別較原巖滲流區(qū)高2個數(shù)量級和低2倍以上；（3）對于低滲透性煤層，瓦斯抽采過程中滲流屏蔽區(qū)阻隔了本區(qū)及本區(qū)以外煤體瓦斯流入孔內(nèi)，而巷道中空氣卻易經(jīng)完全滲流區(qū)進入孔內(nèi)，最終導(dǎo)致鉆孔抽采濃度降低。 應(yīng)用雙流體模型研究了裂隙內(nèi)的氣固兩相流運動規(guī)律：（1）直裂隙發(fā)生堵塞前，底部顆粒沉積層以整體蠕動的方式向前運動，堵塞發(fā)生需要的時間尺度很�。唬�2）各種影響因素的重要程度：加料量表觀氣速彎折角度，彎折裂隙的彎折角度對堵塞過程的影響較小；（3）分叉裂隙的主管段更易堵塞，鈍角分叉裂隙比銳角更易于發(fā)生堵塞。 利用自主構(gòu)建的粉體封堵裂隙實驗平臺研究了粉體封堵直、彎折和分叉裂隙的堵塞特性：（1）彎折裂隙堵塞的臨界粉體質(zhì)量流量與氣速間呈遞增的關(guān)系。直裂隙發(fā)生堵塞的臨界粉體質(zhì)量流量也隨氣速的增大而增大，依次分為三個典型階段：中速增長階段、低速增長階段和高速增長階段，比彎折裂隙多了中速增長階段；（2）隨氣速增大，彎折裂隙堵塞的臨界粉體固氣比呈冪指數(shù)遞減變化，這與已有的研究理論和實驗結(jié)果相一致。但不同的是，發(fā)現(xiàn)存在最小固氣比，當氣速大于最小固氣比對應(yīng)的氣速時，固氣比反而隨氣速的增大呈冪指數(shù)遞增變化；（3）直、分叉裂隙堵塞的臨界氣速與固氣比間呈“S”型關(guān)系，即隨氣速增大，固氣比呈“增、減、增”變化。由于低氣速輸送粉體易造成管路堵塞，基于此，直、分叉裂隙也存在最小固氣比；（4）建立了直、彎折和分叉裂隙堵塞邊界的經(jīng)驗公式，其相對誤差在合理范圍內(nèi)，可用于工程實踐。 研究成果在平煤股份八礦進行了應(yīng)用，結(jié)果表明：采用本文研究成果后，鉆孔瓦斯抽采濃度比原先增幅一倍以上。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TD712.6

【參考文獻】

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本文編號：2283735