工作面前方煤體采動卸壓規(guī)律及其與瓦斯運移相關(guān)性研究

發(fā)布時間：2020-08-12 13:52

【摘要】：受采動影響,采煤工作面前方煤體發(fā)生卸壓破壞。卸壓區(qū)內(nèi)煤體裂隙發(fā)育,瓦斯通過解吸擴散,向采煤工作面大量涌出,給采煤工作面安全采煤帶來危險。本文運用巖石力學(xué)、滲流力學(xué)等相關(guān)知識,探討采煤工作面前方煤體變形破壞及卸壓過程與瓦斯運移相關(guān)性,旨在通過把握采煤工作面前方煤卸壓與瓦斯運移規(guī)律,為采煤工作面前方卸壓區(qū)瓦斯抽采提供理論依據(jù)和指導(dǎo),以降低卸壓區(qū)瓦斯涌出量,從而降低瓦斯危險。通過實驗室試驗、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試相結(jié)合的技術(shù)路線,為本文研究工作提供較全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論支撐。首先,采用TAW-2000巖石三軸試驗機進行煤的單軸、常規(guī)三軸、卸圍壓、以及加卸載條件下的力學(xué)試驗。通過對煤的常規(guī)三軸試驗、卸圍壓試驗、加卸載試驗,分別得到了三種應(yīng)力路徑下的應(yīng)力應(yīng)變特征、強度特征和破壞特征。在常規(guī)三軸壓縮試驗中,隨著圍壓的增加,峰值強度增大,粘聚力增大,內(nèi)摩擦角減小;高圍壓使軸向壓縮變形增大,煤樣破壞更強烈。在初始圍壓相同的情況下,與常規(guī)三軸試驗相比,卸圍壓試驗中峰值點割線模量較小、割線泊松比較大;煤樣在卸圍壓時更容易破壞且破壞更強烈,側(cè)向應(yīng)變較大,而軸向應(yīng)變差別不大。與常規(guī)三軸試驗相比,加卸載條件下煤的內(nèi)摩擦角增加,粘聚力降低;相同初始圍壓下,抗壓強度降低,因此更容易破壞。在加卸載實驗中,卸圍壓速率越快,煤樣破壞強度越小,而破壞所需時間越短,越容易破壞。在卸圍壓過程中,煤樣的彈性模量先增大后減小,泊松比持續(xù)增大。與常規(guī)三軸試驗相比,加卸載試驗條件下,變形模量差E50-Ec和泊松比差μc-μ50有較大增加,說明了加卸載試驗中煤樣的變形和破壞程度更大。從破壞特征看,在單軸壓縮試驗及低圍壓下,煤試樣以剪切破壞為主,有明顯剪切破壞面,隨著圍壓的增加,破壞面不單一,同時有張性裂紋和剪切裂紋;圍壓增大到6MPa時,破壞表現(xiàn)出“X”型共軛剪切特征,隨著圍壓的繼續(xù)增大,試樣呈現(xiàn)出鼓脹現(xiàn)象。在卸圍壓試驗中,破壞后的煤樣無明顯剪切面,同時伴有張性和剪性破壞,且破壞程度強烈,隨著初始圍壓的增加,破壞表現(xiàn)出延性特征。相比常規(guī)三軸壓縮試驗,卸圍壓試驗的煤樣破碎程度更大。與常規(guī)三軸實驗相比,加卸載條件下煤樣以張性破壞為主,無明顯光滑破裂面,且由于煤樣的變形較大,煤樣較為破碎。隨著初始圍壓的增大,煤樣的變形越大。工作面前方煤體變形過程經(jīng)歷了壓縮過程和擴容過程,同時伴隨不同的瓦斯運移過程。通過實驗室試驗可以較好的反應(yīng)工作面前方煤體的壓縮擴容和滲流過程的相關(guān)性。本文第三章通過三軸應(yīng)力滲流實驗裝置對煤的壓縮擴容和瓦斯?jié)B流特性進行了研究。根據(jù)體積應(yīng)變的變化可把煤巖的變形破壞過程分為壓縮過程和擴容過程。采用體積應(yīng)變增量給出了壓縮-擴容邊界條件,理論分析了壓縮-擴容邊界的應(yīng)力空間形態(tài),并通過不同圍壓下的三軸實驗得到煤的壓縮-擴容邊界。通過三軸滲流試驗,研究了煤在壓縮擴容過程中的瓦斯?jié)B流變化,在壓縮階段,試件的滲透率與有效應(yīng)力曲線更符合公式1/20[1(/)]tek?k??s;在擴容階段,當(dāng)圍壓較低時,滲透率與有效應(yīng)力曲線符合二項式公式,當(dāng)圍壓較高時,滲透率與有效應(yīng)力曲線符合公式/(1)edcdkkce????。圍壓和瓦斯壓力對壓縮-擴容邊界影響顯著,初始圍壓的增大使壓縮-擴容邊界上的軸向應(yīng)力增大,應(yīng)力比增大,滲透率減小;而瓦斯壓力的增大使壓縮-擴容邊界較早發(fā)生。通過第六章現(xiàn)場測試采煤工作面前方鉆孔瓦斯流量隨應(yīng)力的變化,驗證了三軸滲流試驗中壓縮擴容與滲透率變化的一般規(guī)律。對采煤工作面前方煤體卸壓區(qū)范圍作了理論分析。根據(jù)卸壓區(qū)水平方向的應(yīng)力平衡方程,結(jié)合mohr-coulomb準(zhǔn)則,推導(dǎo)了包含孔隙瓦斯壓力的卸壓區(qū)寬度計算公式。分析了瓦斯壓力、biot系數(shù)、煤層開采深度、煤層開采厚度、煤的力學(xué)性質(zhì)等因素對卸壓區(qū)寬度的影響。分析結(jié)果表明:在水平方向上,瓦斯壓力對卸壓區(qū)寬度的影響表現(xiàn)為促進作用,卸壓區(qū)寬度隨瓦斯壓力的增大而擴大;在垂直方向上,biot系數(shù)對卸壓區(qū)寬度的的影響較小,在計算卸壓區(qū)寬度時,瓦斯壓力對垂直應(yīng)力的影響可以忽略;煤層開采深度越深,煤層開采厚度越厚,卸壓區(qū)寬度越大;內(nèi)摩擦角和粘聚力越大,卸壓區(qū)寬度越小。采用鉆孔應(yīng)力傳感器現(xiàn)場實測了某礦工作面前方煤體卸壓區(qū)寬度,與理論公式計算結(jié)果基本一致。采煤工作面前方煤體瓦斯運移是一個復(fù)雜的過程。首先煤體內(nèi)的吸附瓦斯解吸為游離瓦斯,游離瓦斯通過擴散-滲流過程經(jīng)孔隙-裂隙通道運移至工作面。而煤體孔隙率與滲透率決定瓦斯運移的難易,同時孔隙率與滲透率的大小與原始孔隙率及應(yīng)力應(yīng)變過程相關(guān)。由于工作面前方煤體卸壓區(qū)瓦斯運移的復(fù)雜性,comsolmulitphysics軟件為模擬采煤工作面前方煤體變形-瓦斯運移變化過程提供了有利工具。在考慮煤基質(zhì)體積變化的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了包含初始孔隙率、總體積應(yīng)變、基質(zhì)體積應(yīng)變的孔隙率動態(tài)變化模型。體積應(yīng)變的引入體現(xiàn)了彈塑性過程孔隙率變化的連續(xù)性�；诳紫堵蕜討B(tài)變化模型,根據(jù)kozeny-carman方程,并考慮煤基質(zhì)變化過程中表面積變化,推導(dǎo)了包含初始滲透率,體積應(yīng)變、初始孔隙率、瓦斯壓力的滲透率方程。根據(jù)質(zhì)量守恒方程和達西定律,給出了采煤工作面前方煤體變形-瓦斯運移方程,根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則、孔隙率變化方程、滲透率變化方程及煤體變形-瓦斯運移方程,采用comsolmultiphysics數(shù)值模擬軟件分析了采煤工前方煤體應(yīng)力變化、滲透率變化、瓦斯壓力變化。結(jié)果表明:工作面前方應(yīng)力分布規(guī)律與現(xiàn)場測試基本一致;工作面前方卸壓區(qū)范圍與理論計算相一致;工作面前方滲透率變化與現(xiàn)場實測瓦斯流量一致;瓦斯壓力隨距離工作面增加逐漸上升,直至趨近于原始瓦斯壓力大小。隨時間的推移,卸壓區(qū)范圍有所擴大,滲透率最小值向工作面遠處轉(zhuǎn)移,瓦斯壓力卸壓影響范圍逐步擴大。由試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場測試,使我們認識到,在工作面前方卸壓區(qū),煤體發(fā)生滑移破壞,有明顯的擴容及卸壓增透效應(yīng)�，F(xiàn)場實測了工作面前方煤體應(yīng)力及鉆孔瓦斯流量隨工作面推進過程的變化規(guī)律,確定了工作面前方煤體卸壓區(qū)范圍;在卸壓區(qū)內(nèi),因煤體滲透率增大鉆孔瓦斯平均流量提高2~3倍�；诠ぷ髅媲胺矫后w卸壓增透效應(yīng),根據(jù)不同鉆孔失效距離及卸壓區(qū)寬度,給出了不同偏角下的預(yù)抽鉆孔卸壓瓦斯抽采量計算公式,分析表明:鉆孔偏角越大,卸壓瓦斯抽采量越大。結(jié)合某礦N2105工作面現(xiàn)場條件進行計算,鉆孔偏角最大可為21.4°,相比原垂直煤壁鉆孔,單孔卸壓瓦斯抽采量可增加978.5 m3,預(yù)期可有效提高本煤層瓦斯抽采率。結(jié)合某礦實際,在考慮鉆孔成孔率及盲區(qū)的情況下,不同偏角下的卸壓瓦斯抽采量隨偏角的增大迅速增大,隨著偏角的繼續(xù)增大,卸壓瓦斯抽采增加量逐漸減小,在偏角為17.5°時,卸壓瓦斯抽采量達到最大值。本文在采煤工作面前方煤體變形破壞及卸壓過程與瓦斯運移相關(guān)性方面作了有益探索,尤其是提出工作面前方煤體鉆孔卸壓瓦斯抽采量計算公式并對鉆孔偏角進行優(yōu)化。研究成果可為采煤工作面前方卸壓瓦斯抽采提供指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD323;TD712
【圖文】：

巖石力學(xué)試驗,主機,剛性