【摘要】：煤層松軟、瓦斯含量高壓力大、透氣性差和抽采效果不理想,一直是導(dǎo)致我國高突煤礦瓦斯治理難度大、瓦斯事故多發(fā)頻發(fā)的重要問題,這些問題在貴州地區(qū)尤為明顯。水力沖孔較為廣泛地應(yīng)用于煤層瓦斯卸壓增透,但水力化措施在貴州地區(qū)爭議還比較大,且水力沖孔多場耦合演化規(guī)律及卸壓抽采效果評價(jià)方面,還缺乏深入科學(xué)分析研究�；诖�,本文以具有松軟低透近距離高突煤層條件的貴州盤江礦區(qū)松河煤礦為工程背景,對煤體微觀物理性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析,建立煤體變形破裂與卸壓瓦斯運(yùn)移耦合模型,模擬研究近距離煤層水力沖孔的多場耦合效應(yīng),對松河煤礦現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證水力沖孔多場耦合效應(yīng)并評價(jià)其卸壓瓦斯抽采效果。取得主要研究成果如下:(1)實(shí)驗(yàn)測試分析了煤體的微觀物理特征,將煤體孔隙率與滲透率分別考慮,針對煤體變形及瓦斯壓力之間的相互作用,建立了包含固體體積應(yīng)變項(xiàng)及瓦斯壓力項(xiàng)的孔隙率動(dòng)態(tài)演化模型,根據(jù)Klinkenberg效應(yīng)、Kozeny-Carman方程建立了滲透率動(dòng)態(tài)演化模型,將其有機(jī)融合構(gòu)建了煤與瓦斯氣固耦合模型。滲透率動(dòng)態(tài)演化模型與現(xiàn)場參考數(shù)據(jù)的成功匹配,煤與瓦斯氣固耦合模型與前人模型計(jì)算結(jié)果的對比分析,證明了該模型可適用于低透氣性含瓦斯煤層的氣固耦合規(guī)律的模擬。(2)基于構(gòu)建的煤與瓦斯氣固耦合模型,采用數(shù)值模擬方法分析研究了不同孔徑和孔間距條件下的近距離煤層水力沖孔卸壓瓦斯抽采多場耦合效應(yīng),得到了沖孔孔徑、煤體位移、應(yīng)力遷移、卸壓瓦斯抽采時(shí)間與有效抽采影響半徑之間的關(guān)系。結(jié)果表明,在沖出煤量恒定、瓦斯壓力下降到安全臨界值的條件下,隨著抽采時(shí)間的增加有效影響半徑逐漸增大;沖孔孔徑增大,導(dǎo)致煤體應(yīng)力遷移范圍越大,孔洞周圍煤體位移量越大、瓦斯壓力下降越快,對應(yīng)的有效影響半徑越大;雙孔、多孔沖孔時(shí),抽采疊加效應(yīng)顯著,孔間距越小或孔徑越大,鉆孔之間的煤體卸壓效果越好,煤體位移越大,瓦斯壓力下降幅度越大。(3)現(xiàn)場監(jiān)測并分析了水力沖孔過程煤體的電磁輻射信號(hào)響應(yīng)規(guī)律。水力沖孔破煤的電磁輻射響應(yīng)符合赫斯特統(tǒng)計(jì)規(guī)律,電磁輻射信號(hào)隨沖孔時(shí)間的增加而增強(qiáng);電磁輻射信號(hào)越強(qiáng)烈,煤體變形破裂越劇烈,噴孔時(shí)異常強(qiáng)烈的信號(hào)對此予以了印證;沖孔完成后,煤體的力學(xué)行為相對“安靜”,電磁輻射信號(hào)大幅降低但仍高于沖孔前的信號(hào),表明相對于沖孔過程煤體的急劇破裂,此時(shí)煤體內(nèi)部的變形破裂仍在緩慢進(jìn)行。(4)現(xiàn)場實(shí)測并分析驗(yàn)證了水力沖孔時(shí)和沖孔后孔洞周邊煤體應(yīng)力、瓦斯壓力分布及動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,揭示了應(yīng)力分布演化規(guī)律與卸壓半徑的關(guān)系。水力沖孔鉆孔周邊煤體應(yīng)力呈現(xiàn)卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)逐漸向深部轉(zhuǎn)移且持續(xù)時(shí)間較長,水力沖孔鉆孔周圍效果考察孔的瓦斯?jié)舛�、流量和�?yīng)力均隨與沖孔鉆孔間距的增大而減弱。單孔沖孔孔徑0.8 m、沖出煤量8 t、抽采時(shí)間80天左右時(shí),瓦斯壓力下降到0.74 MPa以下,對應(yīng)的卸壓抽采有效影響半徑為4.5 m。(5)提出了水力沖孔卸壓增透瓦斯抽采及消突達(dá)標(biāo)的評價(jià)方法,建立了消突達(dá)標(biāo)時(shí)間、有效影響半徑與沖孔瓦斯抽采累計(jì)量的對應(yīng)關(guān)系方程,建立了水力沖孔卸壓瓦斯抽采及消突達(dá)標(biāo)評判方法,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)礦井水力沖孔卸壓增透瓦斯抽采及消突達(dá)標(biāo)的評價(jià)。(6)現(xiàn)場工程驗(yàn)證及效果考察結(jié)果表明,水力沖孔的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于普通鉆孔。沖孔后的鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間先迅速增加、穩(wěn)定到一個(gè)較高濃度并維持較長時(shí)間后再緩慢降低,沖孔鉆孔初始瓦斯?jié)舛�、最高濃度及高值持續(xù)時(shí)間分別是普通鉆孔的1.5倍、1.7倍和8.75倍;工業(yè)試驗(yàn)記錄71天,瓦斯日均抽采量及抽采總量為同樣抽采時(shí)間內(nèi)普通鉆孔抽采效果的3.19倍。本研究成果對于深入認(rèn)識(shí)高突礦井近距離煤層水力沖孔的多場耦合效應(yīng)及其卸壓瓦斯抽采考察評價(jià),提高水力措施應(yīng)用效果,促進(jìn)煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效防治瓦斯災(zāi)害具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD712.6
【圖文】：

分析揭示高壓水力擾動(dòng)作用下煤體變形破裂的化規(guī)律。水力沖孔破煤工業(yè)試驗(yàn)的多場耦合效應(yīng)及其卸壓瓦斯抽采集水力沖孔鉆孔、效果考察孔和普通鉆孔的瓦斯抽采濃度數(shù)，分析研究不同鉆孔的煤層應(yīng)力、裂隙和瓦斯?jié)B流動(dòng)態(tài)水力沖孔卸壓增透和瓦斯抽采效果的定性評價(jià)。水力沖孔卸壓瓦斯抽采效果的評價(jià)方法及應(yīng)用研究、工業(yè)試驗(yàn)研究得到的結(jié)果為基礎(chǔ)，提出水力沖孔卸壓增，建立消突達(dá)標(biāo)時(shí)間、有效影響半徑與瓦斯抽采計(jì)量的關(guān)近距離高突煤層水力沖孔破煤卸壓抽采的有效影響半徑法與技術(shù)路線研究內(nèi)容，采用的研究方法主要包括：實(shí)驗(yàn)測試、理論分評價(jià)等。研究方法及技術(shù)路線如圖 1-1 所示。

博士學(xué)位論文-滲流”的運(yùn)移形式離開煤體涌入井下采掘空間的。水力沖孔作為井下水力化卸壓瓦斯抽采效果的重要方法，可在高壓水力破煤后增加煤體裂隙，這對加速瓦斯的解、滲流具有十分重要的作用。因此，研究煤體的孔裂隙發(fā)育特征，對模擬水力沖合條件下卸壓增透及效果評價(jià)，具有重要意義。

2-1 煤層瓦斯解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移過程示意圖（據(jù)張勇，20gram of gas desorption-diffusion-migration process within c微孔裂隙特征鏡實(shí)驗(yàn)場發(fā)射掃描電鏡分析煤層微觀孔裂隙，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如對不導(dǎo)電樣品和對電子束敏感的樣品實(shí)現(xiàn)低電壓微觀形貌分析，其主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)為高真空kV；3.0 nm@1kV。加速電壓：0.1-30 kV。探針電倍。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2753701