【摘要】：急傾斜突出煤層群開采由于其傾角較大,帶來了“三小五大”問題,即井型小、礦山壓力小、回采率小和瓦斯防治難度大、巷道掘進(jìn)率大、傾斜上向影響范圍大、噸煤消耗大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等。如何進(jìn)行這類煤層的煤與瓦斯共采,是一個(gè)技術(shù)難題。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,在開采此類煤層時(shí)首先必須解決開采前后的瓦斯問題,再進(jìn)行煤層開采,這是對(duì)單一突出煤層開采的要求；對(duì)于煤層群開采還需進(jìn)行采后鄰近層瓦斯的治理；瓦斯作為一種清潔能源,不能單純進(jìn)行抽放治理,必須積極進(jìn)行瓦斯的抽采利用。為此,在“急傾斜突出煤層群煤與瓦斯共采”課題中,通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,對(duì)急傾斜突出煤層群的礦山壓力及其對(duì)瓦斯影響,瓦斯卸壓消突理論,煤與瓦斯共采的協(xié)同開采方法,保護(hù)層選擇及開采過程中的瓦斯運(yùn)移規(guī)律與治理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了一系列成果,確保了急傾斜突出煤層群煤與瓦斯共采過程中的高產(chǎn)、高效、安全。 1)瓦斯卸壓消突理論研究。突出煤層透氣性系數(shù)低,但若煤層松動(dòng),其透氣性系數(shù)會(huì)成百倍的增大,使瓦斯壓力降低和瓦斯流量增大,降低甚至消除了煤與瓦斯突出。根據(jù)瓦斯運(yùn)移與圍巖破碎規(guī)律,提出了“切-抽-掘-采”的瓦斯卸壓消突理論：在突出煤層開采前先進(jìn)行煤層切割,使煤層開裂松動(dòng),促進(jìn)煤層瓦斯由吸附態(tài)向流離態(tài)的轉(zhuǎn)變,再進(jìn)行瓦斯抽采,使未開采突出煤層瓦斯在巷道施工前卸壓消突；在巷道掘進(jìn)和煤層開采過程中,利用礦山壓力重新分布規(guī)律,使保護(hù)層開采范圍的被保護(hù)層瓦斯應(yīng)力得到釋放,促進(jìn)高位瓦斯抽采,實(shí)現(xiàn)突出煤層開采過程和開采后的卸壓消突。 2)瓦斯運(yùn)移理論研究。對(duì)煤巖體孔隙、裂隙在瓦斯運(yùn)移過程中作用進(jìn)行細(xì)觀分析,提出了考慮裂隙作用的裂隙煤巖體流固耦合模型,建立其本構(gòu)關(guān)系,并進(jìn)行了裂隙煤巖體的固流耦合實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在有貫通裂隙的煤巖體中,瓦斯運(yùn)移較快；孔隙煤巖體瓦斯運(yùn)移滯后于裂隙煤巖體瓦斯運(yùn)移的；揭示了孔隙單元有效體積應(yīng)力、裂隙單元有效法向應(yīng)力隨滲流發(fā)展的時(shí)效演化規(guī)律。 3)急傾斜突出煤層群開采中煤層頂板冒落帶與裂隙帶理論研究。 基于卸壓理論,進(jìn)行了回采工作面豎向“三帶”的實(shí)測(cè)和模擬。采用注水法測(cè)試了回采工作面冒落帶和裂隙帶的高度,冒落帶高度為回采工作面采高的4-8倍,裂隙帶高度為回采工作面采高的6-10倍；冒落帶和裂隙帶均有向工作面回風(fēng)巷上方偏移的趨勢(shì)。急傾斜煤層群的垂直“三帶”有別于緩傾斜煤層,為急傾斜突出煤層群開采提供了個(gè)理論依據(jù)。 4)新的回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法研究�；谖创_知測(cè)度理論,建立了回采工作面瓦斯涌出量的均值屬性測(cè)度聚類預(yù)測(cè)模型。模型以樣本均值為聚類中心,以熵權(quán)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)度的權(quán)重,通過計(jì)算樣本熵權(quán)綜合測(cè)度與所屬類別目標(biāo)均值乘積之和獲得瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)值。實(shí)例分析表明,模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差較小,建模過程簡(jiǎn)單,便于實(shí)際工程應(yīng)用。 5)急傾斜突出煤層群保護(hù)層開采技術(shù)研究。急傾斜突出煤層群煤的開采首先是保護(hù)層的開采。以蛇形山煤礦為例,通過理論分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,選取下保護(hù)層進(jìn)行開采�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果表明,下保護(hù)層開采后采場(chǎng)上部開采移動(dòng)角減小,采場(chǎng)下部開采移動(dòng)角增大,采場(chǎng)沿走向左右邊界開采移動(dòng)角分別減少,為礦井今后保護(hù)層開采提供了理論依據(jù)。 6)煤與瓦斯共采的協(xié)同開采理論研究。在高位巷抽采瓦斯研究的基礎(chǔ)上,首次提出了高位鉆孔群煤與瓦斯協(xié)同開采理論與技術(shù),并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。研究表明,該技術(shù)施工簡(jiǎn)單、快捷、易于掌握,且抽采的瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞康染玫斤@著的提高,既解決了保護(hù)層工作面回采過程中瓦斯超限問題,又為工作面采后被保護(hù)層瓦斯抽采提供新的思路。 7)保護(hù)層開采時(shí)被保護(hù)層瓦斯作用機(jī)理研究。被保護(hù)層的瓦斯壓力大小關(guān)系到保護(hù)層開采的成敗。通過FLAC3D對(duì)不同被保護(hù)層瓦斯壓力下的保護(hù)層開采進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明,瓦斯壓力增大可以加速致裂保護(hù)層頂板巖層,特別是被保護(hù)層瓦斯壓力在大于2MPa時(shí),加劇了保護(hù)層頂板巖層致裂,甚至造成突出。這就要求在保護(hù)層開采過程中,加強(qiáng)被保護(hù)層瓦斯的抽采,減少較高壓力的瓦斯對(duì)保護(hù)層開采的危害。圖118幅,表16個(gè),公式42個(gè),參考文獻(xiàn)
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【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TD713;TD712.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2459778