本文關(guān)鍵詞：煤層群開(kāi)采上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯分區(qū)富集協(xié)同抽采技術(shù)

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【摘要】：在煤炭開(kāi)采歷史中,礦井瓦斯防治一直是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要課題。目前,進(jìn)行瓦斯抽采是防治礦井瓦斯最主要的措施。瓦斯抽采不僅能降低井下瓦斯涌出量,減少瓦斯事故發(fā)生的可能性,還有助于實(shí)現(xiàn)瓦斯的利用,在節(jié)約能源的同時(shí)防止瓦斯直接排放到大氣造成的溫室效應(yīng)。在煤層群開(kāi)采的過(guò)程中,鄰近層瓦斯涌出往往是工作面瓦斯的主要來(lái)源;向工作面涌出瓦斯的鄰近層中,上鄰近層的瓦斯涌出量又往往大于下鄰近層。因此研究煤炭開(kāi)采時(shí)上覆巖層的裂隙演化規(guī)律、瓦斯富集規(guī)律,研究上鄰近層的瓦斯抽采方法,有助于解決上鄰近層瓦斯大量涌出的問(wèn)題。本論文主要針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)南莊礦12#層開(kāi)采時(shí)的上鄰近層瓦斯抽采進(jìn)行研究。論文分析了上覆巖層裂隙演化以及瓦斯賦存的理論,結(jié)合南莊礦12#煤層的開(kāi)采條件,通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和相似實(shí)驗(yàn)的手段分析了上覆巖層裂隙分布和瓦斯高、低位分區(qū)富集規(guī)律,提出了瓦斯協(xié)同抽采方案,并在南莊礦得到了較好的應(yīng)用,建立了陽(yáng)泉礦區(qū)12#煤層上鄰近層瓦斯抽采體系,該體系同時(shí)在大陽(yáng)泉礦得到了推廣。陽(yáng)泉礦區(qū)是全國(guó)瓦斯最大、最難進(jìn)行瓦斯抽采的礦區(qū)之一。瓦斯涌出量大而且瓦斯突出頻繁,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的影響非常嚴(yán)重。礦區(qū)共含煤15層,煤種以無(wú)煙煤為主,主采3#、6#、8#、10#、12#、15#煤層,各煤層均富含瓦斯。對(duì)回采工作面瓦斯來(lái)源的統(tǒng)計(jì)分析表明:上鄰近層是工作面瓦斯的主要來(lái)源。根據(jù)目前上鄰近層瓦斯卸壓抽采的理論基礎(chǔ),總結(jié)了瓦斯在煤體中的賦存狀態(tài),煤體孔隙特征的評(píng)價(jià)方式;總結(jié)了瓦斯在煤體中流動(dòng)的連續(xù)性方程和擴(kuò)散-滲流方程。分析了采動(dòng)上覆巖層垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的理論和關(guān)鍵層理論,概述了和瓦斯運(yùn)移以及與瓦斯抽采相關(guān)的“O”形圈理論。根據(jù)這些理論基礎(chǔ),分析了陽(yáng)泉礦區(qū)12#煤層裂隙演化分布規(guī)律,推算了12#煤層上覆巖層“豎三^/”的高度范圍以及關(guān)鍵層的位置,并根據(jù)對(duì)上覆巖層的裂隙演化規(guī)律的理論分析結(jié)果,分析了上鄰近層中的瓦斯涌出源和瓦斯富集區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和相似實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn),研究了陽(yáng)泉礦區(qū)12#煤層上覆巖層裂隙演化規(guī)律。采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)采礦工程實(shí)驗(yàn)室的EWM二維模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析,得到工作面回采至不同位置時(shí),上覆巖層的垮落形態(tài)及位移場(chǎng)分布規(guī)律,進(jìn)而分析了上覆巖層中的裂隙發(fā)育規(guī)律。根據(jù)對(duì)關(guān)鍵層下沉曲線(xiàn)的分析,得到工作面回采期間關(guān)鍵層破裂下沉的規(guī)律。采用針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計(jì)算程序UDEC4.00,以陽(yáng)泉南莊煤礦12#煤層的地質(zhì)與回采條件為原型,研究其回采過(guò)程中上覆巖層動(dòng)態(tài)垮落過(guò)程以及采動(dòng)裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程和分布形態(tài),為12#煤層上鄰近層卸壓瓦斯抽采技術(shù)提供理論依據(jù)。模擬結(jié)果得到了上鄰近層應(yīng)力分布隨回采過(guò)程的變化;通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果后處理得出上覆巖層位移場(chǎng)變化情況;數(shù)值模擬還得出了上覆巖層采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化模型。數(shù)值模擬得到的結(jié)果與相似實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果較為相符,可以相互印證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果與理論分析所得的“豎三^/”范圍、關(guān)鍵層層位等結(jié)論較為接近。根據(jù)理論分析、相似模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,得出了陽(yáng)泉12#煤層上覆巖層的裂隙演化規(guī)律。根據(jù)裂隙演化規(guī)律進(jìn)行fluent模擬,得到了上鄰近層卸壓瓦斯分區(qū)富集規(guī)律:在12#煤層回采的過(guò)程中,對(duì)工作面瓦斯涌出貢獻(xiàn)較大的上鄰近層是8#、9#、10#、11#煤層和k4石灰?guī)r。以10#煤層頂板砂巖為界,位于該砂巖下部的10#、11#煤層和k4石灰?guī)r構(gòu)成了低位瓦斯富集區(qū),低位瓦斯富集區(qū)處在冒落帶和裂隙帶的過(guò)渡區(qū)域,裂隙極其發(fā)育,與12#煤層距離較近,12#層的煤炭回采后,該區(qū)域內(nèi)的卸壓瓦斯便迅速卸壓,涌向回采空間;位于10#煤層頂板砂巖上方的8#、9#煤層附近形成了高位瓦斯富集區(qū),該區(qū)域位于裂隙帶和彎曲下沉帶的過(guò)渡區(qū)域,裂隙較為發(fā)育,與12#煤層層間距較大,受工作面采動(dòng)影響較晚,工作面回采一段距離后該區(qū)域內(nèi)的瓦斯才會(huì)卸壓涌向回采空間。針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)12#煤層上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯高、低位分區(qū)富集的特點(diǎn),提出了陽(yáng)泉12#煤層上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù),即布置高位鉆孔和低位鉆孔,根據(jù)各富集區(qū)瓦斯卸壓的時(shí)空規(guī)律,分別抽采高位瓦斯富集區(qū)和低位瓦斯富集區(qū)內(nèi)的瓦斯。首先提出了針對(duì)陽(yáng)泉南莊煤礦12#煤層4611工作面的瓦斯協(xié)同抽采方案,并利用數(shù)值模擬的辦法對(duì)抽采效果進(jìn)行論證。數(shù)值模擬的結(jié)果認(rèn)為:瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)能夠達(dá)到治理4611工作面瓦斯的目的。瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)首先在陽(yáng)泉南莊煤礦12#煤層4611工作面進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)結(jié)果表明,瓦斯協(xié)同抽采方案有效解決了工作面回采期間的瓦斯超限問(wèn)題,并加快了工作面的推進(jìn)度,大幅提高了工作面的產(chǎn)量。在隨后進(jìn)行的南莊煤礦12#煤層4606工作面抽采試驗(yàn)中,在應(yīng)用高、低位鉆孔協(xié)同抽采技術(shù)時(shí),進(jìn)行了一些改進(jìn),同時(shí),還對(duì)采空區(qū)和本煤層瓦斯進(jìn)行了抽采,形成了對(duì)工作面回采過(guò)程中涌出瓦斯的綜合、立體抽采體系。瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)體系在南莊礦的實(shí)驗(yàn)成果充分證明了12#煤層上鄰近層協(xié)同抽采技術(shù)在陽(yáng)泉礦區(qū)的有效性。瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)在大陽(yáng)泉礦得到了推廣應(yīng)用,也取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益,顯示出瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)體系的普遍適用性。協(xié)同抽采技術(shù)不但改善了12#煤層工作面的安全生產(chǎn)狀況、提高了工作面單產(chǎn)、減少了碳排放、加快了工作面推進(jìn)效率、提高了瓦斯抽采率,還保證了15#煤層的安全、高效開(kāi)采,提高了資源的利用率,延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)壽命。同時(shí)南煤集團(tuán)通過(guò)對(duì)抽采瓦斯的利用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。協(xié)同抽采技術(shù)在陽(yáng)泉礦區(qū)其它主采12#、15#煤層且以12#煤層作為首采煤層的礦井以及其它礦區(qū)具有類(lèi)似煤層群開(kāi)采條件的礦井具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。應(yīng)用協(xié)同抽采技術(shù)提高了工作面的瓦斯抽采量和抽采率,減少了碳排放,利用了清潔能源。本論文研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下三點(diǎn):1)通過(guò)理論分析、相似模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等綜合分析,得出陽(yáng)泉12#煤層回采過(guò)程中上覆巖層“豎三帶”分布范圍,確定了上覆巖層的關(guān)鍵層,得到上覆巖層移動(dòng)變形規(guī)律、采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律、關(guān)鍵層的破斷下沉規(guī)律和上鄰近層應(yīng)力變化規(guī)律,得出了12#煤層上鄰近層采動(dòng)裂隙場(chǎng)高、低位分區(qū)分布特征和卸壓瓦斯富集規(guī)律。2)針對(duì)陽(yáng)泉12#煤層上鄰近層卸壓瓦斯高、低位分區(qū)富集的空間特點(diǎn)、時(shí)間特點(diǎn),提出了分別布置上鄰近層高位鉆孔和低位鉆孔分別對(duì)高位和低位瓦斯富集區(qū)進(jìn)行時(shí)空協(xié)同抽采的方法。3)根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的效果考察,確定了適合陽(yáng)泉12#煤層工作面回采的上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)體系,確定了瓦斯抽采鉆場(chǎng)的布置形式、瓦斯抽采鉆孔的間距、鉆孔終孔位置、鉆孔抽采時(shí)間以及合理的單孔抽采負(fù)壓等抽采參數(shù)的合理范圍。本論文的研究成果在陽(yáng)泉礦區(qū)得到了較好的應(yīng)用效果,可以為我國(guó)其他煤層群開(kāi)采的礦區(qū)提供參考。但由于各礦區(qū)地質(zhì)條件不同,各礦區(qū)的瓦斯富集規(guī)律及抽采方案還需要有針對(duì)性的研究。
【關(guān)鍵詞】：上鄰近層 裂隙演化 分區(qū)富集 協(xié)同抽采
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD712.6
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-28
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 上覆巖層采動(dòng)裂隙分布規(guī)律的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.2.3 瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究現(xiàn)狀21-24
• 1.2.4 目前研究存在的主要問(wèn)題24-25
• 1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線(xiàn)25-26
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容25
• 1.3.2 技術(shù)路線(xiàn)25-26
• 1.4 本章小結(jié)26-28
• 2 上鄰近層瓦斯卸壓抽采理論分析28-46
• 2.1 煤體中瓦斯的賦存規(guī)律28-31
• 2.1.1 煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)28-29
• 2.1.2 煤的孔隙特征及其評(píng)價(jià)方式29-31
• 2.2 采動(dòng)影響裂隙空間瓦斯流動(dòng)規(guī)律31-34
• 2.2.1 連續(xù)性方程31
• 2.2.2 運(yùn)動(dòng)方程31-34
• 2.3 上覆巖層采動(dòng)裂隙分布規(guī)律理論34-40
• 2.3.1 采動(dòng)上覆巖層垂向分區(qū)34-36
• 2.3.2 關(guān)鍵層理論36-39
• 2.3.3 上覆巖層采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈理論39-40
• 2.4 上鄰近層瓦斯流動(dòng)場(chǎng)與裂隙場(chǎng)的耦合規(guī)律40-42
• 2.4.1 卸壓瓦斯的浮升特性40-41
• 2.4.2 上鄰近層瓦斯卸壓流動(dòng)機(jī)理41-42
• 2.4.3 瓦斯在采動(dòng)裂隙帶的富集規(guī)律42
• 2.5 陽(yáng)泉12#煤層上覆巖層采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布及瓦斯富集規(guī)律分析42-45
• 2.5.1 南莊煤礦12#煤層工作面概況42-43
• 2.5.2 采動(dòng)裂隙“豎三帶”發(fā)育高度43
• 2.5.3 關(guān)鍵層位置判別43-45
• 2.5.4 上鄰近層卸壓瓦斯流動(dòng)規(guī)律分析45
• 2.6 本章小結(jié)45-46
• 3 陽(yáng)泉12#煤層上覆巖層采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律相似模型試驗(yàn)研究46-70
• 3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)概況46-53
• 3.1.1 陽(yáng)泉礦區(qū)概況47
• 3.1.2 南煤集團(tuán)概況47
• 3.1.3 南莊煤礦概況47-53
• 3.2 相似模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)53-54
• 3.3 相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)54-59
• 3.3.1 試驗(yàn)原型54-55
• 3.3.2 相似試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)55-56
• 3.3.3 相似條件的確定56
• 3.3.4 相似材料配比及模型鋪設(shè)56-58
• 3.3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集58-59
• 3.4 相似模型試驗(yàn)結(jié)果及分析59-68
• 3.4.1 工作面回采初期上覆巖層垮落形態(tài)及位移場(chǎng)分布規(guī)律分析59-61
• 3.4.2 工作面正常回采期間上覆巖層垮落形態(tài)及位移場(chǎng)分布規(guī)律分析61-66
• 3.4.3 工作面正常回采期間關(guān)鍵層破斷下沉規(guī)律分析66-68
• 3.5 本章小結(jié)68-70
• 4 陽(yáng)泉12#煤層上覆巖層采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬研究70-82
• 4.1 UDEC數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介70-71
• 4.2 數(shù)值模型設(shè)計(jì)71-73
• 4.2.1 模擬地質(zhì)條件71-72
• 4.2.2 模擬的邊界條件72
• 4.2.3 本構(gòu)模型及煤巖層力學(xué)參數(shù)72-73
• 4.3 數(shù)值模擬模擬結(jié)果及分析73-80
• 4.3.1 上鄰近層應(yīng)力變化規(guī)律分析73-75
• 4.3.2 上覆巖層位移場(chǎng)變化規(guī)律分析75-77
• 4.3.3 上覆巖層采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律分析77-80
• 4.4 本章小結(jié)80-82
• 5 陽(yáng)泉12#煤層上鄰近層卸壓瓦斯分區(qū)富集規(guī)律82-100
• 5.1 陽(yáng)泉12#煤層上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯分區(qū)富集規(guī)律82-87
• 5.2 瓦斯分區(qū)富集規(guī)律數(shù)值模擬87-89
• 5.2.1 模型建立87-89
• 5.2.2 模型網(wǎng)格劃分89
• 5.3 模型主要參數(shù)的設(shè)定89-95
• 5.3.1 多孔介質(zhì)參數(shù)的設(shè)定89-91
• 5.3.2 質(zhì)量源項(xiàng)的確定91-93
• 5.3.3 計(jì)算算法及邊界條件93-95
• 5.4 綜采工作面鄰近層卸壓瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果95-98
• 5.4.1 采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律95-97
• 5.4.2 工作面瓦斯分布規(guī)律97-98
• 5.5 本章小結(jié)98-100
• 6 陽(yáng)泉12#煤層上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)方案100-112
• 6.1 上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)方案設(shè)計(jì)100-101
• 6.2 4611工作面上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)方案101-107
• 6.3 協(xié)同抽采鄰近層卸壓瓦斯效果數(shù)值模擬分析107-110
• 6.3.1 模擬方法與模型建立107-108
• 6.3.2 結(jié)果分析108-110
• 6.4 本章小結(jié)110-112
• 7 陽(yáng)泉南莊煤礦12#煤層上鄰近層采動(dòng)卸壓瓦斯協(xié)同抽采技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與效果考察112-124
• 7.1 4611工作面瓦斯抽采效果考察112-117
• 7.1.1 總體抽采效果考察112-114
• 7.1.2 主要抽采指標(biāo)考察114-117
• 7.2 4606工作面瓦斯抽采效果考察117-119
• 7.3 抽采效果評(píng)價(jià)119-121
• 7.3.1 有效性119
• 7.3.2 抽采方案應(yīng)用效益119-120
• 7.3.3 適用性120-121
• 7.4 推廣應(yīng)用121-122
• 7.4.1 大陽(yáng)泉煤礦概況121
• 7.4.2 應(yīng)用情況121-122
• 7.4.3 應(yīng)用效益122
• 7.5 本章小結(jié)122-124
• 8 結(jié)論與展望124-128
• 8.1 主要結(jié)論124-126
• 8.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)126-127
• 8.3 有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題127-128
• 參考文獻(xiàn)128-134
• 致謝134-136
• 作者簡(jiǎn)介136
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文136
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目136
• 主要獲獎(jiǎng)136

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：744836