【摘要】：隨著煤炭資源開采深度和開采難度的增加,如何提高煤層透氣性、消除煤與瓦斯突出危險性已經成為制約煤炭安全高效開采的關鍵問題。目前松動爆破和煤層注水防治煤與瓦斯突出還停留在單一防突措施的試驗研究,對兩者之間耦合防突現場應用研究較少。本文基于實驗室實驗研究了含水率對煤體力學特性和瓦斯吸附放散特性及微觀孔隙結構的影響,闡述了含水率對煤體作用機理。通過數值模擬研究了不同特征參數對煤巷掘進過程中突出危險性的影響,并驗證了煤層注水的可行性。但是由于煤層裂隙較少,低壓直接注水效果并不理想,高壓注水又會出現局部應力集中,有可能誘發(fā)煤與瓦斯的突出。因此提出了一種爆破增注防突技術,并通過現場工業(yè)性試驗驗證了其對煤與瓦斯的防突效果,主要研究成果和結論如下:(1)隨著含水率的增大,煤體的抗壓強度、彈性模量、粘聚力和內摩擦角逐漸減小,泊松比、抗粉碎系數和抗壓強度所對應的應變逐漸增大,煤樣的塑性變大,脆性較小,受載能力增強。(2)隨著含水率的增大,煤的吸附常數a逐漸降低,吸附常數b逐漸增大,瓦斯放散初速度ΔP增加,滲透率逐漸減小,裂隙瓦斯壓力、基質瓦斯壓力逐漸降低,應力峰值逐漸減小,應力峰值位置逐漸向深部轉移。煤樣的微孔和中孔數量增多,部分微孔孔徑變大變?yōu)橹锌?大孔的數量幾乎不變。(3)當水進入到煤體內部時,由于水楔作用、水解作用、水化作用的影響,增大了煤顆粒之間的距離,降低了煤分子之間的范德華力,煤體內部原有的宏觀裂隙和微觀孔隙被連通,并產生新的孔隙和裂隙并不斷擴展,使得煤體的結構被破壞。此外,由于水的存在,煤體內部宏觀裂隙和微觀孔隙上會形成一層水膜,不僅可以阻止煤顆粒之間重新粘結、新的裂隙重新閉合,還能起到一定的潤滑作用,當煤體的含水率逐漸增大時,煤體內部的水膜聯結作用力隨之減小,直到完全喪失。(4)為了驗證煤層注水技術的可行性,研究了特征參數的改變在煤巷掘進時突出危險性的影響。研究發(fā)現:在均質煤巖層內掘進煤巷時,煤層彈性模量越小,巷道超前應力集中峰值越小,巷道前方煤體的位移量越大,有利于防止煤與瓦斯突出。雖然煤層泊松比越大,巷道超前應力集中峰值越大,峰值位置前移,但是影響效果不明顯。減小煤層的粘聚力、內摩擦角,雖然能輕微的增大應力集中峰值,但是卻可以很有效的將應力集中峰推向遠方,從而能很好的消除煤巖動力災害的發(fā)生。(5)在平煤八礦進行了現場工業(yè)性試驗,測定了松動爆破的有效影響半徑為7m,爆破后注水量較普通鉆孔注水量平均提高了54.6倍以上,注水量顯著增加。在煤巷掘進過程中測定煤層的含水率和突出危險性,煤層含水率顯著增加,突出危險性指標鉆孔涌出初速度q值和鉆屑量S值顯著降低。證實了爆破增注防突技術對防治煤與瓦斯突出事故有顯著效果。論文研究成果對了解含水率對煤體力學特性、瓦斯吸附放散特性的作用機理,增強煤體透氣性,防治煤與瓦斯突出等方面具有重要的指導意義。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD713
【圖文】：

圖 2-1 干燥箱和真空飽水機Figure2-1 Drying box and vacuum water saturation含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%圖 2-2 加載實驗的煤樣Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment粉碎系數實驗煤樣的制備煤八礦戊9.10-14160 工作面的硬分層和軟分層各取煤樣 3~5kg。無法制作成直徑為 20-30mm 的小塊，為了統(tǒng)一標準，保證實驗的將煤樣統(tǒng)一破碎成 1-3mm 粒度的煤樣，放入干燥箱充分干燥后，煤樣飽水一周，使煤樣充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥

a.含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%圖 2-2 加載實驗的煤樣Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment2.1.2 抗粉碎系數實驗煤樣的制備從平煤八礦戊9.10-14160 工作面的硬分層和軟分層各取煤樣 3~5kg。由于軟分層煤樣無法制作成直徑為 20-30mm 的小塊，為了統(tǒng)一標準，保證實驗的可比性，所以將煤樣統(tǒng)一破碎成 1-3mm 粒度的煤樣，放入干燥箱充分干燥后，利用飽水機對煤樣飽水一周，使煤樣充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥時長的方式，制作不同含水率的煤樣，如圖 2-3 所示。

a.含水率 0% b.含水率 1% c.含水率 2%圖 2-2 加載實驗的煤樣Figure2-1 Load thecoal sample of the experiment.1.2 抗粉碎系數實驗煤樣的制備從平煤八礦戊9.10-14160 工作面的硬分層和軟分層各取煤樣 3~5kg。由于層煤樣無法制作成直徑為 20-30mm 的小塊，為了統(tǒng)一標準，保證實驗的可，所以將煤樣統(tǒng)一破碎成 1-3mm 粒度的煤樣，放入干燥箱充分干燥后，利水機對煤樣飽水一周，使煤樣充分吸水，最后再用干燥箱按照不同干燥時長式，制作不同含水率的煤樣，如圖 2-3 所示。

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本文編號：2758395