本文關鍵詞：近距離低滲煤層群多重采動影響下煤巖破斷與瓦斯流動規(guī)律及抽采研究

  更多相關文章： 近距離煤層群 多重采動 裂隙場 瓦斯運移 數(shù)值模擬

【摘要】：保護層開采是治理煤與瓦斯突出、提高煤礦井下瓦斯抽采效率的最有效的區(qū)域性措施,目前我國對保護層開采過程中覆巖移動、應力分布、裂隙場演化、瓦斯在煤巖體及裂隙場中運移流動規(guī)律以及保護層對被保護層的卸壓作用等有了較多研究,但對多個鄰近煤層開采的卸壓效應、裂隙場演化及瓦斯運移富集規(guī)律的研究較少。在保護層開采后,后續(xù)煤層開采過程中,應力分布、變形、裂隙發(fā)育、瓦斯運移規(guī)律等的研究報道較少。本文針對近距離煤層群多重開采過程中卸壓瓦斯的運移與覆巖裂隙演化過程的關系,開展多重采動影響下裂隙演化及瓦斯運移規(guī)律的研究,是對現(xiàn)有的保護層開采卸壓基本理論的進一步豐富和發(fā)展。本文在國內(nèi)外學者對采動裂隙演化及瓦斯流動規(guī)律研究成果的基礎上,開展了近距離煤層群多重采動應力影響下裂隙場中的瓦斯?jié)B流規(guī)律研究,取得了以下成果:(1)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研得知川煤集團白皎煤礦2461工作面及其下覆二煤層、三煤層等構成近距離群賦存狀態(tài)。2461采煤工作面所處一煤層為無瓦斯突出危險性煤層,可作為保護煤層,二、三煤層為被保護層,因此,確定了以白皎礦作為主要研究對象。利用應力解除法和基于Kaiser效應的聲發(fā)射法對研究對象進行原巖地應力測定,確定其三維應力狀態(tài),為后續(xù)的研究提供科學依據(jù)。(2)通過含瓦斯煤巖試件不同路徑下的加卸載三軸壓縮實驗,分析含瓦斯煤巖力學和滲流特性,并在試驗的基礎上建立了加卸載條件下煤巖試件滲透率與體積應變的關系方程。(3)通過模擬工作面采動狀態(tài)下煤巖損傷斷裂與聲發(fā)射試驗研究,模擬分析煤層采動后工作面煤巖裂紋擴展的分形規(guī)律,建立了單軸壓力條件下預置凹槽煤巖體裂紋演化分形維數(shù)與軸向應變關系方程,從方程可知,從加載初期到裂紋貫通過程中,煤體表面裂紋計盒維數(shù)與軸向應變呈指數(shù)關系。(4)完成了基于量化GSI體系和Hoek-Brown準則的巖體力學強度估算研究,獲得了考慮結構面影響的煤層及覆巖巖體力學參數(shù),為后續(xù)的數(shù)值模擬和相似材料模擬實驗提供更加科學、準確的依據(jù)。(5)應用UDEC和FLAC3D數(shù)值軟件與相似材料物理模擬試驗相結合,進行了煤層開采覆巖應力場及裂隙場演化規(guī)律研究;(6)結合UDEC數(shù)值模擬軟件獲得覆巖裂隙場的分布規(guī)律,運用滲流力學、流體力學等理論,采用COMSOL模擬多煤層采動覆巖裂隙場中瓦斯運移過程,研究了采動過程中涌出的瓦斯在采空區(qū)及其覆巖裂隙中的運移和富集規(guī)律。(7)基于以上研究成果優(yōu)化了近距離煤層群采動影響下裂隙場卸壓瓦斯抽采技術,并在現(xiàn)場經(jīng)行驗,證取得了顯著效果,有效提高了瓦斯抽采效率。
【關鍵詞】：近距離煤層群 多重采動 裂隙場 瓦斯運移 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-19
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 含瓦斯煤巖力學特性研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 礦井瓦斯?jié)B流研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 煤層群開采的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.4 卸壓瓦斯抽采的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 研究內(nèi)容16-17
• 1.4 技術路線17-19
• 2 礦井概況及其原巖地應力測定研究19-49
• 2.1 礦井概況19-25
• 2.1.1 煤層埋深對瓦斯賦存的影響20-22
• 2.1.2 瓦斯含量分布及預測22
• 2.1.3 瓦斯壓力分布及預測22-24
• 2.1.4 研究工作面概況24-25
• 2.2 基于KAISER效應的地應力測試研究25-35
• 2.2.1 利用Kaiser效應測地應力試驗原理及過程25-30
• 2.2.2 巖石聲發(fā)射Kaiser效應測地應力試驗結果30-35
• 2.3 空芯包體應力解除法地應力測試研究35-46
• 2.3.1 應力解除測量技術原理方法35-39
• 2.3.2 應力計安裝使用中遇到的問題及對策39-41
• 2.3.3 定應力的現(xiàn)場測定41-46
• 2.4 本章小結46-49
• 3 多煤層采動影響下含瓦斯煤巖力學性質(zhì)及滲透特性研究49-75
• 3.1 試驗系統(tǒng)及試驗過程描述49-52
• 3.1.1 試驗系統(tǒng)介紹49-50
• 3.1.2 試件的采集和制備50
• 3.1.3 試驗步驟50-52
• 3.1.4 加卸載試驗方法52
• 3.2 采動應力條件下含瓦斯煤巖力學性質(zhì)研究52-60
• 3.2.1 不同瓦斯壓力加卸載原煤試件力學特性52-56
• 3.2.2 多煤層采動影響下不同初始圍壓加卸載煤巖試件力學特性研究56-60
• 3.3 采動應力條件下含瓦斯煤巖滲透特性研究60-73
• 3.3.1 圍壓對含瓦斯煤巖滲透特性的影響60-62
• 3.3.2 瓦斯壓力對含瓦斯煤巖滲透特性的影響62-63
• 3.3.3 采動影響下含瓦斯煤巖滲透率與體積應變的關系63-73
• 3.4 小結73-75
• 4 煤巖損傷破壞聲發(fā)射特性與裂紋演化分形特征研究75-93
• 4.1 巖石損傷、斷裂力學基本概念75
• 4.2 采動條件下煤巖損傷斷裂過程及其聲發(fā)射特性75-79
• 4.2.1 試驗過程介紹75-76
• 4.2.2 試驗結果分析76-79
• 4.3 單軸壓縮條件下預置凹槽煤巖斷裂裂紋擴展分形規(guī)律79-91
• 4.3.1 線彈性斷裂力學基本理論79-81
• 4.3.2 復合型裂紋斷裂準則81-82
• 4.3.3 裂隙擴展的分形描述的方法82-84
• 4.3.4 煤巖斷裂裂紋擴展分形規(guī)律84-91
• 4.4 小結91-93
• 5 考慮結構面影響的煤巖體強度評價方法及應用93-107
• 5.1 巖體質(zhì)量評價方法93
• 5.2 GSI系統(tǒng)巖體力學參數(shù)的估計93-99
• 5.2.1 巖體GSI值的量化94-95
• 5.2.2 結構面表面特征等級SCR的取值95-96
• 5.2.3 巖體結構等級SR的取值96
• 5.2.4 巖體變形模量的估算96-98
• 5.2.5 Hoek-Brown和Mohr-Coulomb準則轉化98-99
• 5.3 鉆孔成像技術在GSI量化中的應用99-105
• 5.3.1 鉆孔成像系統(tǒng)99-100
• 5.3.2 鉆孔成像考察巖體結構面特征原理100-103
• 5.3.3 鉆孔成像在判斷巖體結構特征和結構面表面特征中的應用103-105
• 5.4 結論105-107
• 6 近距離煤層群多重采動應力場與裂隙場演化規(guī)律107-145
• 6.1 煤層群多重采動影響下圍巖應力分布與損傷狀態(tài)分析107-116
• 6.1.1 煤層采動影響下圍巖應力分布規(guī)律107-108
• 6.1.2 保護層開采圍巖卸壓效應108-113
• 6.1.3 煤層開采保護層底板損傷狀態(tài)113-116
• 6.2 煤層群多重采動影響下圍巖應力及巖層移動規(guī)律的數(shù)值模擬研究116-134
• 6.2.1 力學模型116-117
• 6.2.2 模型的建立117-119
• 6.2.3 數(shù)值模擬結果分析119-134
• 6.3 基于三維激光掃描技術的近距離煤層群采動覆巖裂隙分布及演化相似模擬試驗研究134-143
• 6.3.1 相似模擬幾何模型及相似條件的確定134-135
• 6.3.2 測量方法135-136
• 6.3.3 多煤層采動影響下覆巖移動和裂隙分布規(guī)律136-143
• 6.4 小結143-145
• 7 低滲煤層群裂隙場中瓦斯?jié)B流規(guī)律及抽采145-181
• 7.1 煤層群多重采動裂隙場中瓦斯來源及瓦斯涌出量分析145-147
• 7.2 采動裂隙場中卸壓瓦斯運移數(shù)學模型147-151
• 7.2.1 孔隙率與滲透率耦合控制方程147-149
• 7.2.2 采動覆巖裂隙場卸壓瓦斯運移數(shù)學模型149-151
• 7.3 近距離煤層多重采動裂隙場中瓦斯運移的數(shù)值模擬研究151-165
• 7.3.1 數(shù)值模擬軟件簡介151-152
• 7.3.2 近距離煤層群多重采動裂隙場的分布形態(tài)的數(shù)值模擬152-157
• 7.3.3 近距離煤層群多重采動裂隙場內(nèi)瓦斯運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究157-165
• 7.4 采動裂隙場內(nèi)應力、裂隙與瓦斯流動耦合機理研究165-174
• 7.4.1 煤巖體采動應力與瓦斯流動的耦合機理165-167
• 7.4.2 采動中裂隙煤巖體應力與瓦斯流動演化規(guī)律現(xiàn)場驗證167-174
• 7.5 近距離煤層群裂隙場卸壓瓦斯抽采及現(xiàn)場應用174-179
• 7.5.1 保護層開采對被保護層卸壓增透瓦斯抽采技術174-176
• 7.5.2 保護層開采裂隙場卸壓瓦斯抽采技術在白皎煤礦的應用176-179
• 7.6 結論179-181
• 8 主要結論與展望181-185
• 8.1 本文的研究成果及結論181-183
• 8.2 主要創(chuàng)新點183-184
• 8.3 后續(xù)研究工作及展望184-185
• 致謝185-187
• 參考文獻187-201
• 附錄201-202
• A. 作者攻讀博士學位期間參加的科研項目201
• B. 作者發(fā)表論文情況201-202
• C. 作者在攻博期間所獲專利情況202
• D. 作者在攻讀博士學位期間所獲獎勵202

，

本文編號：892703