對煤炭生產(chǎn)過程中的瓦斯進行高效抽采不僅可防止采空區(qū)瓦斯向井下采煤工作面大量涌入,保障煤礦井下安全生產(chǎn),還可變廢為寶,緩解我國常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況和改善大氣環(huán)境,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。本文主要采用了理論分析、二維及三維相似模擬試驗和現(xiàn)場實測的方法研究了采動影響下地面鉆井變形破壞機制和采空區(qū)氣流空間分布特征,并基于上述研究結(jié)果提出了采空區(qū)瓦斯地面高效抽采技術(shù)。主要研究成果如下:采用二維相似試驗?zāi)M井下工作面推進過程中上覆巖層彎曲下沉引起的巖層剪切錯動,并通過分析鉆井的最大相對水平和豎直位移分布,研究了采動過程中地面鉆井的破壞特征,確定了鉆井破壞的高危時期、高危位置和鉆井失效類型。當(dāng)工作面推過鉆井157m時,鉆井的整體水平和豎向位移均達到最大:在煤層上方70m、125m、195m和240m處,鉆井水平位移達60-75mm,豎向位移達85mm。在高危破壞時期和高危破壞位置處,煤層上覆巖層的硬軟組合巖層的交界面、厚巖層內(nèi)和厚-薄-厚組合巖層內(nèi)的鉆井段易發(fā)生鉆井破壞。工作面回采過程中現(xiàn)場鉆井抽采數(shù)據(jù)和鉆孔窺視驗證了上述研究結(jié)果的準確性。采用二維相似試驗?zāi)M試驗研究了采空區(qū)裂隙分布特征,將垮落帶劃分為完全貫通區(qū)、部分壓實區(qū)和穩(wěn)定壓實區(qū),將裂隙帶劃分為裂隙產(chǎn)生區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和裂隙閉合區(qū);采用自主構(gòu)建的三維可加載多元氣體滲流試驗系統(tǒng),模擬煤層開挖形成采空區(qū)氣流空間,并通過注入多元混合氣流模擬瓦斯在采空區(qū)氣流空間內(nèi)的分布,定點獲取氣流空間內(nèi)不同空間位置的瓦斯?jié)舛确植?研究了采空區(qū)瓦斯流動及富集的空間分布特征。采空區(qū)空間自下而上可劃分為下部富集區(qū)、過渡區(qū)、上部富集區(qū)和無流區(qū),且區(qū)域邊界呈“V”形。采用現(xiàn)場實測的方法,研究了采動過程中變軌跡定向考察井抽出瓦斯的流量和濃度動態(tài)變化,氣流空間自下而上可劃分為阻流區(qū)、富集區(qū)和乏流區(qū)。在富集區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S距煤層高度的增加呈現(xiàn)線性降低的變化趨勢�；谏鲜隼碚撗芯砍晒�,提出了采空區(qū)井位層位精準優(yōu)選技術(shù):當(dāng)鉆井井位距回風(fēng)巷約42-54m,且鉆井底部穿過采空區(qū)上部富集區(qū),進入底部垮落帶,以實現(xiàn)“雙富集區(qū)”瓦斯共采;提出了“低-中-高”變負壓效率最大化調(diào)控抽采技術(shù):當(dāng)?shù)孛驺@井處在暢流階段時,采用-20~-30kPa的低負壓抽采瓦斯以抽采較高的瓦斯混量;當(dāng)?shù)孛驺@井處在阻流階段時,使用-30~-60kPa的中等負壓抽采瓦斯;當(dāng)?shù)孛驺@井乏流階段時,使用-60~-80kPa的高負壓抽采瓦斯可保證較高的抽采流量。采用“低-中-高”變負壓調(diào)節(jié)控制鉆井瓦斯抽采可保持瓦斯抽采效率持續(xù)最大化。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD712.6
【部分圖文】：

分別為采動裂隙場內(nèi)瓦斯?jié)B流和地面鉆井井身穩(wěn)定性。如隨回采井并向前繼續(xù)推進過程中，鉆井井底區(qū)域的裂隙發(fā)育程度不斷降低，動的阻力也不斷增大，導(dǎo)致抽采流量降低，但抽采濃度可能升高。又上覆巖層擠壓、剪切和拉剪等各種作用力影響而發(fā)生縮頸、錯斷等破采流量下降甚至失效。因此，要研究如何利用地面鉆井高效抽采卸壓地面鉆井變形破壞機制和井下采動裂隙場瓦斯?jié)B流特性。狀井穩(wěn)定性面垂直鉆井抽采采動卸壓瓦斯在美國、澳大利亞、波蘭、加拿大和中國得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于受采動影響，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生劇烈錯動變形，導(dǎo)致地面鉆井發(fā)生破壞而失效（圖 1-1）。地面垂直制約著地面瓦斯的抽采量和鉆井的服務(wù)壽命。

提出了經(jīng)典的“三帶”理論，即自下而上將上覆巖層劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶（如圖1-2）。Singh 和 Yadav[30]使用粘彈性模型預(yù)測了長壁開采影響下的裂隙區(qū)截面特征。錢

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文受井下巷道工程條件的限制，且不干擾井下正常生產(chǎn)，采空區(qū)瓦斯被直接抽采至地面，安全性高。但仍存在鉆井井位和層位不夠精準、抽采能耗大等問題，尤其缺乏采空區(qū)瓦斯專用地面抽采技術(shù)。井地聯(lián)抽是從地面向下垂直施工鉆井，并與采煤工作面主回風(fēng)巷貫通。并通過鉆井內(nèi)的抽采管與采空區(qū)主回風(fēng)巷布置的抽采管路連接，從而實現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)瓦斯的抽采（如圖 1-8）。該方法操作難度較大，抽采濃度偏低。
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本文編號：2881588