下保護(hù)層開采時,上覆煤巖體垮落破斷形成三帶劃分,其中斷裂帶上承被保護(hù)層下接保護(hù)層工作面,內(nèi)部裂隙發(fā)育溝通,是卸壓瓦斯匯聚流動的主要通道,也是如高抽巷、走向長鉆孔等卸壓瓦斯抽采工程的主要作用地帶。斷裂帶內(nèi)巖體堆積結(jié)構(gòu)、裂隙形態(tài)和滲透率的分布特征,往往決定了抽采層位選擇的合理與否,進(jìn)而影響卸壓瓦斯抽采的效果。本文運用巖石力學(xué)、礦山巖體力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)等理論,采用理論分析、實驗研究、數(shù)值計算、現(xiàn)場驗證相結(jié)合的方法,以采動煤巖體離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型為骨架,以裂隙內(nèi)瓦斯?jié)B流特征為核心,構(gòu)建了斷裂帶內(nèi)卸壓瓦斯流動模型,并以陽泉礦區(qū)的走向高抽巷卸壓瓦斯抽采工程為背景,驗證了模型對高抽巷合理層位選擇的指導(dǎo)意義。獲得的主要結(jié)論如下：(1)斷裂帶內(nèi)不同層位覆巖均經(jīng)歷了超前支承-采動卸壓-應(yīng)力恢復(fù)三個階段。卸壓范圍和卸壓程度隨著層間距的增加而減小,卸壓比與層間距呈對數(shù)關(guān)系,在應(yīng)力恢復(fù)階段可視為側(cè)限條件下煤壁上方巖層擴展支承區(qū)巖體重力重新作用于采空區(qū)而產(chǎn)生的三向應(yīng)力的線性恢復(fù)過程。假設(shè)破斷巖塊為各向同性的彈性體前提下,采動裂隙開度的改變主要歸因于破斷巖塊產(chǎn)生的彈性變形μσ1/Eα1和側(cè)向水平應(yīng)力對裂隙面的擠壓變形bmax[1-exp(-Aμ/(1-μ)σ1)],推導(dǎo)了應(yīng)力恢復(fù)過程中的應(yīng)力-滲透性耦合關(guān)系。(2)覆巖三帶在破壞特征、形態(tài)及介質(zhì)流動模型上區(qū)別明顯。相似模擬實驗結(jié)果表明,斷裂帶內(nèi)采動裂隙主要為水平離層裂隙和垂向破斷裂隙,二者占裂隙總量的70.8%。裂隙開度隨層位高度的增加而迅速衰減,近水平方向上的小角度裂隙閉合更為明顯,斷裂帶內(nèi)多以開度小于lmm的裂隙為主。在裂隙發(fā)育特征的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了斷裂帶離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,定義了控制模型形態(tài)的主要三類參數(shù),分別為外邊界控制參數(shù)、斷裂巖塊尺度參數(shù)、裂隙開度參數(shù)。(3)對于單一裂隙來說,在低流量層流狀態(tài),裂隙流量與壓差滿足線性關(guān)系,隨著流量的繼續(xù)增加,慣性力造成的湍流效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。流態(tài)指數(shù)的變化表明,由層流向紊流的發(fā)展是連續(xù)的過程,實驗條件下模擬裂隙試件進(jìn)入完全紊流時存在臨界流量為261mL/min,對應(yīng)計算得到一般條件下,斷裂帶內(nèi)卸壓瓦斯流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界流量約為39.2m3/min。(4)采用瞬態(tài)法測定巖樣原始滲透率范圍為4.8～39.3×10-4mmD,采用穩(wěn)態(tài)法測得峰后裂隙巖樣滲透率范圍在6.7～69.6mD,相比于原始滲透率增加了4個數(shù)量級。裂隙巖樣在重新加載中則表現(xiàn)出類彈性行為,以裂隙開度的變化為橋梁,建立了描述應(yīng)力恢復(fù)作用下應(yīng)變-滲透率模型,并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,理論值與實驗值擬合程度平均擬合度在0.95以上,驗證了模型的適用性。(5)闡述了上鄰近層存在時斷裂帶內(nèi)瓦斯流動匯集特征,利用有限元方法模擬得到影響高抽巷卸壓瓦斯抽采效果的主要因素為層位的選擇和抽采時間。通過構(gòu)建分布矩陣,將斷裂帶裂隙滲透率轉(zhuǎn)化為管路當(dāng)量直徑,建立了離散裂隙網(wǎng)絡(luò)等效模型。(6)在定壓邊界條件下,利用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)等效模型分析了高抽巷層位選擇對斷裂帶瓦斯流動場匯集特征的影響作用。高抽巷層位由斷裂帶上方40m下調(diào)至斷裂帶下沿時,瓦斯抽采量下降了25.0m3/min,抽采濃度降低了近55.0%。陽泉礦區(qū)高抽巷抽采實踐統(tǒng)計表明,當(dāng)高抽巷層位由距離開采煤層12倍采高下調(diào)至8倍采高(斷裂帶下沿)時,平均抽采量降低了18.8m3/min,平均抽采濃度降為43.0%。高抽巷層位的選擇對抽采效果的影響顯著,同時實際數(shù)據(jù)與解算得到的規(guī)律基本一致,驗證了離散裂隙網(wǎng)絡(luò)等效模型的合理性。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TD712.6
【部分圖文】：

表１－１保護(hù)層開采實贓礦井逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－１邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｍｉｎｅ邋ｏｆ邋ｍｉｌｌｉｎｇ邋ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ邋ｃｏａｌ邋ｓｅａｍ逡逑礦井名稱邐保護(hù)層邐披巧護(hù)層邐層間祀／ｍ邐巧護(hù)層冀型邐窗話逡逑誰南潘一礦邐Ｂ１１媒層邐ｃｎ媒層邐７２邐下保護(hù)層邐程邁平等Ｐ］逡逑巧北巧巧礦邐１日媒層邐７、Ｓ、目媒層邐Ｓ４邐下保護(hù)層邐王岳等心］逡逑巧泉教思礦邐１５媒層邐３媒層邐１１７．７邐下巧護(hù)層邐劉洪永等Ｍ逡逑淮北來化史礦邐１日煤層邐８煤層邐日日邐下保護(hù)層邐王巧睡等心１逡逑武烺烏蘭礦邐７、８媒層邐２、３媒層邐訓(xùn)邐下保護(hù)層邐高峰等［Ｂ］逡逑從空間上看，斷騙巧居化處于巧護(hù)居與被保護(hù)居玄間，忠上后下，被巧護(hù)廈逡逑的印壓瓦斯可由此間的期睹通道向巧護(hù)居Ｘ巧面及采空區(qū)涌入，保護(hù)廈采空區(qū)瓦逡逑斯也可上揮至此形成蝸索，因此斷融巧通常是瓦斯抽采措施集中區(qū)域。大吾Ｘ程逡逑實戰(zhàn)表明Ｕ氣巧巧護(hù)居開采過捏中，利巧走向高化抽采巷道，對部近上巧護(hù)層瓦逡逑斯和采空區(qū)積索瓦斯可形成掠好的抽采效果，抽采能力強，能夠有敲避免巧壓瓦逡逑斯踴入采空區(qū)，威曲Ｘ化面■生產(chǎn)安全，fB別適用于大采高}P采、}P放開采等高產(chǎn)逡逑高玻綜合機械化采煤方法和鄰近居掠多的近距島煤層巧開采條件。逡逑

當(dāng)達(dá)到式（３－３）條件時，端部將首先發(fā)生拉張破巧，直接頂?shù)恼沙袟l件掉變?yōu)殄义锨烧闪海谥苯禹斉嗳で�，其變形相對于上靖若項巖居而言掠大，其培藍(lán)擺型逡逑如圖３－３巧示。逡逑１邋１邋１邋Ｉ邋１邋ｉ邋１邋ｉ邋１逡逑圖３－３直接頂?shù)繓幜W(xué)分析逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋Ｍｅｃｈａｎｉｃ邋ｓｉＵｉａｔｉ曰Q嗗澹錚駑澹悖幔觶椋钅垮澹椋恚恚澹洌椋幔簦邋澹潁錚錚駑義顯謁橢智榭魷攏賞ü苯傭ビ肜隙ゼ淶翰鉼s判定是吾達(dá)到fB想條件逡逑直接頂和老頂?shù)氖芰δＰ蛗!化為切布載荷下的彎曲問題，志大捉度化現(xiàn)在巖梁逡逑中段，怯下式計強；逡逑，邐＿５｛Ｑ邋＋邋ｍ，ｙ）Ｌ＾逡逑厚－—３Ｓ４Ｓ，Ｉ，—逡逑＼邐＇邋＇邐（３－７）逡逑５ｍ＾ｙＬ逡逑＿邋３８４邋k危�。辶x鮮街校蔽敢喚聰鈧敬笊斬齲哄義系悖椋潁幔沃苯酉钅洗笊斬齲誨義稀觶蓿啊隙プ隕碓睪杉齲誨義現(xiàn)苯傭プ隕碓睪杉齲哄義系閡煥隙レ閱Ｖ茫誨義戲劍拗苯傭プ閱Ｎ幔誨義俠隙ス咔刪埽哄義希桑笠恢苯傭ス咝緣堋ｅ義希常村義

本文編號：2821262