本文關(guān)鍵詞：單一高瓦斯厚煤層下保護(hù)層開采卸壓特性及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

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【摘要】：結(jié)合保護(hù)層開采進(jìn)行卸壓瓦斯抽采是最合理有效的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)之一,在單一厚煤層開采礦區(qū),由于無(wú)臨近煤層作為保護(hù)層,如何選擇合理的巖層作為保護(hù)層開采是在單一厚煤層開采過(guò)程中瓦斯治理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文以鶴壁礦區(qū)中泰公司下保護(hù)層開采為研究對(duì)象,結(jié)合關(guān)鍵層理論,采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室研究、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法,研究被保護(hù)層的裂隙發(fā)育規(guī)律、滲透特性和瓦斯運(yùn)移特征。取得的主要研究成果如下:(1)結(jié)合鶴壁礦區(qū)單一高瓦斯低滲透性厚煤層長(zhǎng)期無(wú)保護(hù)層開采的地質(zhì)特點(diǎn),提出了煤巖復(fù)合保護(hù)層開采區(qū)域瓦斯治理方法;理論計(jì)算得出,鶴壁中泰公司下保護(hù)層合理開采厚度1.5m,冒落帶最大高度為7.58m,裂隙帶高度為30.57~48.37m,保護(hù)層開采能有效增加二1煤層透氣性。(2)保護(hù)層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律模擬研究表明,沿保護(hù)層工作面推進(jìn)方向上形成裂隙開啟區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙萎縮區(qū)和裂隙閉合區(qū)四個(gè)區(qū)域;被保護(hù)層處在保護(hù)層開采的裂隙帶上部或彎曲下沉帶下部,走向卸壓角為70°,傾向上山卸壓角為55~64°,傾向下山卸壓角為68~78°,膨脹變形率最高達(dá)到26.37‰。(3)基于煤的孔—裂隙雙重介質(zhì)物理模型,建立了考慮煤層有效應(yīng)力、吸附膨脹效應(yīng)和外載應(yīng)力共同控制下的煤體滲透率模型,得出保護(hù)層開采過(guò)程中被保護(hù)層瓦斯?jié)B透率隨煤層應(yīng)力的變化規(guī)律。(4)應(yīng)用“含瓦斯煤巖三軸伺服滲流”實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)煤樣進(jìn)行了含瓦斯條件下的不同圍壓滲透特性試驗(yàn),研究了原煤煤樣在模擬地應(yīng)力場(chǎng)中的瓦斯?jié)B流特性;實(shí)驗(yàn)表明,峰值破壞前,隨著煤樣膨脹變形增大,瓦斯?jié)B透率先減小,后緩慢增加,煤樣破裂后,煤樣中瓦斯?jié)B流通道數(shù)目增多,通道的橫截面積增大,瓦斯?jié)B透率急劇增大,瓦斯?jié)B透率與膨脹變形率的變化近似為線性關(guān)系。根據(jù)煤樣不同強(qiáng)度階段,將瓦斯透氣性分為穩(wěn)定吸附階段、滲流衰減階段、瓦斯?jié)B流緩增階段、滲流突增階段、滲流穩(wěn)增階段及滲流激增階段6個(gè)階段。(5)基于流體力學(xué)和流固耦合力學(xué)理論,建立了氣固耦合滲透率動(dòng)態(tài)模型,運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics,分析采動(dòng)卸壓與鉆孔抽采雙重條件下瓦斯流場(chǎng)變化特征與卸壓效果;結(jié)果表明,隨著保護(hù)層工作面不斷推進(jìn),在采動(dòng)卸壓與鉆孔抽采(鉆場(chǎng)間距40m)雙重作用下,被保護(hù)煤層內(nèi)游離瓦斯以及解吸瓦斯不斷向采空區(qū)及鉆孔內(nèi)運(yùn)移,被保護(hù)層瓦斯壓力不斷降低,卸壓范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)工作面推進(jìn)到140m時(shí),在卸壓與抽采雙重作用下,被保護(hù)層卸壓范圍內(nèi)瓦斯壓力基本降低到了突出壓力0.74MPa以下。(6)現(xiàn)場(chǎng)巖層裂隙探測(cè)和鉆孔窺視結(jié)果表明,保護(hù)層開采后,被保護(hù)層最大膨脹率達(dá)到27.4‰;保護(hù)層卸壓影響范圍內(nèi)鉆孔多環(huán)向、軸—環(huán)向交錯(cuò)裂縫,部分地方孔壁破壞嚴(yán)重,淺部離層較為明顯,保護(hù)層卸壓影響范圍外鉆孔裂縫較少,多處孔壁光滑,說(shuō)明保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層起到了很好的卸壓作用,被保護(hù)層煤層及其頂?shù)装辶严栋l(fā)育充分,有利于被保護(hù)層瓦斯運(yùn)移和瓦斯抽采。(7)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯抽采參數(shù)結(jié)果表明,被保護(hù)層瓦斯抽采參數(shù)變化規(guī)律與保護(hù)層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相對(duì)應(yīng),保護(hù)層工作面后方上覆被保護(hù)層的0~10m范圍內(nèi)為抽采開啟區(qū),10~40m為抽采最佳區(qū),40~60m為抽采衰減區(qū),60m以后為抽放衰竭區(qū);鉆場(chǎng)的最佳瓦斯抽采范圍為工作面推進(jìn)到鉆場(chǎng)前方3m左右至鉆場(chǎng)后方21m左右;保護(hù)層開采后的最大殘余瓦斯含量1.83m3/t,遠(yuǎn)低于煤與瓦斯突出臨界指標(biāo)值以下,開采保護(hù)層并結(jié)合卸壓瓦斯抽采有效地消除了二1煤層的突出危險(xiǎn)性。為鶴壁礦區(qū)單一厚煤層開采瓦斯治理提供了一條新途徑。
【關(guān)鍵詞】：保護(hù)層開采 裂隙發(fā)育 瓦斯?jié)B流 瓦斯抽采 單一厚煤層
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD712.6
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-21
• 1.1 選題的意義13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 保護(hù)層開采研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 煤巖力學(xué)性質(zhì)與瓦斯?jié)B流理論研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線18-21
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容18-19
• 1.3.2 技術(shù)路線19-21
• 2 單一高瓦斯厚煤層下保護(hù)層開采方案的提出21-31
• 2.1 鶴壁礦區(qū)瓦斯治理現(xiàn)狀21-23
• 2.1.1 區(qū)域瓦斯治理措施21
• 2.1.2 回采工作面瓦斯治理措施21-22
• 2.1.3 煤巷掘進(jìn)瓦斯治理措施22-23
• 2.2 單一高瓦斯厚煤層下保護(hù)層開采區(qū)域瓦斯治理方案的提出23-26
• 2.2.1 保護(hù)層位置的確定23-25
• 2.2.2 保護(hù)層開采厚度的確定25-26
• 2.3 保護(hù)層開采可行性分析26-28
• 2.3.1 層間合理間距26-27
• 2.3.2 垂直方向“三帶”高度預(yù)測(cè)27-28
• 2.4 煤巖復(fù)合層保護(hù)層開采方法及參數(shù)選擇28-30
• 2.4.1 保護(hù)層工作面布置28-29
• 2.4.2 保護(hù)層工作面設(shè)備及回采工藝29-30
• 2.5 小結(jié)30-31
• 3 保護(hù)層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律研究31-53
• 3.1 保護(hù)層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬分析31-39
• 3.1.1 數(shù)值模型建立31-32
• 3.1.2 應(yīng)力、下沉量和膨脹變形規(guī)律32-36
• 3.1.3 卸壓角確定36-39
• 3.2 保護(hù)層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律相似模擬實(shí)驗(yàn)研究39-51
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>39
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>39-42
• 3.2.3 觀測(cè)方案42-43
• 3.2.4 傾向模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析43-50
• 3.2.5 走向模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析50-51
• 3.3 小結(jié)51-53
• 4 保護(hù)層開采卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究53-89
• 4.1 保護(hù)層開采應(yīng)力作用下被保護(hù)層煤體滲透率變化動(dòng)態(tài)模型53-64
• 4.1.1 基本假設(shè)53
• 4.1.2 煤體變形方程53-54
• 4.1.3 煤體瓦斯?jié)B流運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程54-56
• 4.1.4 孔隙度及滲透率動(dòng)態(tài)模型的建立56-62
• 4.1.5 動(dòng)態(tài)滲透率模型理論計(jì)算分析62-64
• 4.2 煤樣滲透性試驗(yàn)64-76
• 4.2.1 試驗(yàn)方案64-66
• 4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析66-73
• 4.2.3 瓦斯?jié)B流階段劃分73-74
• 4.2.4 應(yīng)力、膨脹變形與滲透率關(guān)系研究74-76
• 4.3 保護(hù)層開采過(guò)程中被保護(hù)層瓦斯?jié)B透率變化分析76-78
• 4.4 保護(hù)層開采卸壓瓦斯氣固耦合分析78-87
• 4.4.1 保護(hù)層開采卸壓瓦斯氣固耦合數(shù)值模型建立78-80
• 4.4.2 方案Ⅰ計(jì)算結(jié)果分析80-82
• 4.4.3 方案Ⅱ計(jì)算結(jié)果分析82-84
• 4.4.4 方案III計(jì)算結(jié)果分析84-86
• 4.4.5 方案Ⅳ計(jì)算結(jié)果分析86-87
• 4.5 小結(jié)87-89
• 5 保護(hù)層開采保護(hù)效果觀測(cè)與評(píng)價(jià)89-115
• 5.1 保護(hù)層工作面頂板巖層破壞特征探測(cè)89-99
• 5.1.1 觀測(cè)內(nèi)容89
• 5.1.2 鉆場(chǎng)及鉆孔布置89-92
• 5.1.3 觀測(cè)儀器及觀測(cè)方法92-93
• 5.1.4 觀測(cè)結(jié)果與分析93-99
• 5.2 保護(hù)層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律觀測(cè)99-102
• 5.3 保護(hù)層開采礦壓顯現(xiàn)對(duì)瓦斯抽采效果影響分析102-106
• 5.4 保護(hù)層開采對(duì)鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果影響分析106-110
• 5.4.1 鉆場(chǎng)瓦斯抽采參數(shù)觀測(cè)與結(jié)果分析106-108
• 5.4.2 33071 抽采總管瓦斯抽采參數(shù)觀測(cè)與結(jié)果分析108-110
• 5.5 被保護(hù)層工作面煤層殘余瓦斯含量測(cè)試分析110-112
• 5.5.1 傾向方向殘余瓦斯含量測(cè)試110-111
• 5.5.2 向走方向殘余瓦斯含量測(cè)試111-112
• 5.6 小結(jié)112-115
• 6 結(jié)論與展望115-119
• 6.1 主要結(jié)論115-116
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)116-117
• 6.3 展望117-119
• 參考文獻(xiàn)119-125
• 作者簡(jiǎn)歷125-127
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集127

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本文編號(hào)：757819