發(fā)布時間：2020-05-23 20:56

【摘要】：構(gòu)造煤是原生煤在經(jīng)歷了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造作用后形成的一種極度破碎粉化煤體,具有強度低,瓦斯含量高,滲透性差的特點,導(dǎo)致絕大部分的煤與瓦斯突出事故都發(fā)生在有構(gòu)造煤的地方。在我國焦作礦區(qū),由于經(jīng)歷了多期復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運動,形成了一種特殊的復(fù)合煤層,煤層上部為受構(gòu)造作用破壞較輕的堅硬煤體(本文稱為原生煤),下部為受構(gòu)造破壞嚴重的松軟構(gòu)造煤。該復(fù)合煤層煤體性質(zhì)差異大,瓦斯抽采異常困難。許多傳統(tǒng)的單一煤層瓦斯抽放措施應(yīng)用效果均不明顯,導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故頻發(fā)。本文針對該復(fù)合煤層瓦斯治理的難題,以古漢山礦16采區(qū)為研究背景,通過理論分析,現(xiàn)場考察及實驗室研究,獲得復(fù)合煤層中原生煤和構(gòu)造煤的基礎(chǔ)物性參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)、瓦斯吸附解吸性能以及力學(xué)損傷行為和滲透率演化特性�；诿簩犹匦�,提出了水力沖孔瓦斯抽采技術(shù),利用數(shù)值模擬、實驗室實驗和理論分析相結(jié)合的方法揭示了復(fù)合煤層水力沖孔卸壓增透機理。在現(xiàn)場開展大量的工程試驗,對復(fù)合煤層水力沖孔瓦斯抽采技術(shù)的實際應(yīng)用效果進行考察研究。本文的主要結(jié)論如下:(1)構(gòu)造煤在經(jīng)歷了特殊地質(zhì)構(gòu)造運動后,微觀物理結(jié)構(gòu)被嚴重破壞,孔隙裂隙系統(tǒng)顯著發(fā)育,微孔和小孔孔容分別為原生煤的8.20~9.48倍和10.41~10.97倍。微觀結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致構(gòu)造煤比原生煤具有更強的吸附解吸性能,構(gòu)造煤的極限瓦斯吸附量為47.29 m~3/t,高于原生煤的40.68 m~3/t,瓦斯放散初速度高達33.8~44.4 mmHg,是原生煤的1.6~2.2倍。構(gòu)造煤的堅固性系數(shù)平均值僅為0.2,原生煤堅固性系數(shù)是其7.5倍。復(fù)合煤層中的構(gòu)造煤分層更容易積聚大量的瓦斯能,且其具有很低的力學(xué)強度和較高的初始瓦斯解吸放散能力,使煤與瓦斯突出風(fēng)險極大增加。(2)復(fù)合煤層中的原生煤的力學(xué)強度顯著高于構(gòu)造煤,其單軸抗壓強度為構(gòu)造煤的3.63倍,三軸抗壓強度為構(gòu)造煤的2.05~2.70倍,內(nèi)聚力為構(gòu)造煤的3.3倍,平均彈性模量為構(gòu)造煤的8.8倍,泊松比為構(gòu)造煤的62.5%。在加軸壓卸圍壓力學(xué)路徑下,原生煤和構(gòu)造煤的平均峰值強度分別降低到加軸壓定圍壓力學(xué)路徑下的31%和42%,加軸壓卸圍壓力學(xué)路徑導(dǎo)致兩種煤體更容易同時發(fā)生破壞。(3)靜水壓50 MPa卸載到2 MPa的過程中,原生煤的滲透率提高了792.2倍,構(gòu)造煤的滲透率提高了76.3倍。表明即使煤體沒有發(fā)生宏觀破壞,但通過卸荷仍可以實現(xiàn)煤體滲透率的增加。加軸壓定圍壓力學(xué)路徑下煤體發(fā)生損傷后,構(gòu)造煤的滲透率沒有發(fā)生明顯的提高,原生煤的滲透率增加到初始滲透率的65.9~117.0倍;加軸壓卸圍壓力學(xué)路徑下煤體發(fā)生損傷后,構(gòu)造煤的滲透率提高了1.8~7.2倍,原生煤的滲透率提高了108.9~3127.5倍。滲透率測定結(jié)果表明,原生煤損傷后的滲透率增加幅度要顯著大于構(gòu)造煤,且增透路徑要更加優(yōu)于構(gòu)造煤。單純的“損傷”無法使構(gòu)造煤煤體獲得有效的增透,“損傷”后有效的“卸荷”才是其增透的主要途徑。(4)復(fù)合煤層進行高壓水力沖孔后,構(gòu)造煤體能夠被有效沖出,鉆孔平均出煤率為0.48 t/m,復(fù)合煤層鉆孔幾何結(jié)構(gòu)為下部構(gòu)造煤分層直徑1.5 m,上部原生煤分層直徑0.1 m。數(shù)值模擬實驗表明,孔洞的形成使復(fù)合煤層中的應(yīng)力擾動范圍顯著擴大,與普通鉆孔相比,應(yīng)力擾動的范圍提高了4.8~8.5倍。鉆孔周圍煤體的應(yīng)力演化路徑為最大主應(yīng)力不斷增加,最小主應(yīng)力不斷減小的過程,對應(yīng)于三軸力學(xué)實驗中的加軸壓卸圍壓力學(xué)路徑。水力沖孔使單個鉆孔周圍發(fā)生損傷破壞的煤體體積提高了78.5倍。鉆孔周圍滲透率發(fā)生顯著提高的范圍在總體上擴大了8倍,鉆孔瓦斯抽采有效半徑提高了2.4~3.3倍。(5)采用先進的高壓水力沖孔一體化裝備,完善采掘、分離、抽采及監(jiān)測系統(tǒng)保障,同時制定明確的施工工藝流程,極大地提升了水力沖孔瓦斯抽采技術(shù)�，F(xiàn)場實測結(jié)果表明,與普通鉆孔相比,水力沖孔能夠顯著提高鉆孔瓦斯抽采效率,確保煤巷安全掘進。對復(fù)合煤層進行水力沖孔瓦斯抽采一年后,煤層滲透率由初始的0.0007 mD提高到0.06 mD,增加了87倍;孔洞的形成為煤層膨脹提供了充足的空間;水力沖孔鉆孔高濃度瓦斯抽采期提高了4.9~10倍,365天內(nèi)平均百米瓦斯抽采純量由普通鉆孔的0.018 m~3/min.hm提高到0.072 m~3/min.hm;水力沖孔鉆孔數(shù)目僅為普通鉆孔數(shù)89.7%的前提下,瓦斯預(yù)抽期由普通鉆孔的1425天降低到336天。復(fù)合煤層水力沖孔瓦斯預(yù)抽結(jié)束后,煤巷平均掘進速度提高了1.6倍,達到4.4 m/d,掘進期間突出危險性顯著降低。該論文有圖119幅,表22個,參考文獻164篇。
【圖文】：

圖 1-1 煤礦井下水力割縫原理圖（a）高壓水力割縫（b）負壓瓦斯抽采[35]Figure 1-1 Hydraulic slotting in an underground coal mine. (a) Slotting a coal seam using a high-pressure waterjet. (b) Gas drainage under sub-pressure[35]林柏泉[36,37]從煤層煤與瓦斯突出機理出發(fā)，研究提出了整體卸壓的概念，開發(fā)出高壓水射流割縫防突技術(shù)，并在實際應(yīng)用中取得了良好的煤層卸壓消突效果。

圖 1-1 煤礦井下水力割縫原理圖（a）高壓水力割縫（b）負壓瓦斯抽采[35] 1-1 Hydraulic slotting in an underground coal mine. (a) Slotting a coal seam usingpressure waterjet. (b) Gas drainage under sub-pressure[35]柏泉[36,37]從煤層煤與瓦斯突出機理出發(fā)，研究提出了整體卸壓的概壓水射流割縫防突技術(shù)，，并在實際應(yīng)用中取得了良好的煤層卸壓消等[38]基于巖石動態(tài)損傷模型，對高壓脈沖水射流瞬時動載荷、柔性煤體動態(tài)損傷特性及煤層裂隙場的變化規(guī)律開展了相關(guān)的理論分實驗研究，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖水射流可以有效提高松軟煤層的透氣性，煤層高壓脈沖水射流增透這一新的技術(shù)路線。
【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】：2019
【分類號】：TD712.6

【參考文獻】

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本文編號：2677941