發(fā)布時間：2017-09-19 21:44

  本文關鍵詞：急傾斜近距離下保護層開采巖層移動及卸壓瓦斯抽采研究

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【摘要】：急傾斜煤層由于其賦存特殊性,煤體受擠壓破壞較為嚴重,大多數(shù)急傾斜煤層為高瓦斯或突出煤層,大量研究表明開采保護層結合卸壓瓦斯抽采是最安全、最有效的區(qū)域性防突措施。本文以義馬煤業(yè)集團李溝礦保護層開采為工程背景,采用理論分析、實驗室實驗、數(shù)值分析和現(xiàn)場實驗相結合的研究手段;系統(tǒng)分析了急傾斜近距離下保護層開采巖層移動變形、裂隙動態(tài)演化及應力變化規(guī)律;構建了保護層開采煤巖變形與卸壓瓦斯流動氣固耦合模型,利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件開展了急傾斜近距離下保護層開采結合卸壓瓦斯抽采數(shù)值模擬,并在現(xiàn)場工程得以應用。主要研究成果和結論有:裂隙隨著保護層工作面的推進從下至上逐步發(fā)育,從產生、發(fā)展到閉合是一個動態(tài)過程,以順層裂隙發(fā)育為主,局部發(fā)育小規(guī)模穿層裂隙,二者交錯貫穿保護層與被保護層。頂板未出現(xiàn)大范圍垮塌,以緩慢下沉為主,采動影響范圍波及被保護層,但未破壞被保護層開采條件,受采落矸石充填作用影響,正常開采階段頂板最大撓度小于初次垮落階段。裂隙發(fā)育及巖層移動可為卸壓瓦斯運移和瓦斯抽采提供有效通道。應力卸壓最大位置與巖層移動最大位置基本重合,隨采動影響呈現(xiàn)原始應力→應力集中→應力下降→應力恢復的變化規(guī)律,傾斜上部卸壓程度高于下部�；诤咚姑后w有效應力原理、煤基質吸附膨脹/解吸收縮變形以及采動應力變化的影響,得出了孔隙率和滲透率演化模型,以此為耦合變量,構建了保護層開采煤巖變形與卸壓瓦斯流動氣固耦合模型。利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件開展了急傾斜近距離下保護層開采結合卸壓瓦斯抽采數(shù)值模擬,獲得了不同采動卸壓范圍、不同抽采時間的抽采影響半徑,在地質條件和開采條件相同的情況下,走向抽采半徑大于傾向�，F(xiàn)場工程實踐表明,有效保護范圍內被保護層瓦斯含量由原始的6.15~9.50m3/t降為2.18~4.83m3/t,瓦斯壓力由0.88~1.35MPa降為0.20~0.35MPa,透氣性系數(shù)由0.3541~0.3849m2/(MPa2.d)上升到66.0~80.25m2/(MPa2.d),平均增加198倍,評判區(qū)域內瓦斯抽采率達50.93%。傾斜上部卸壓角按86°劃定,傾斜下部卸壓角按70°劃定,走向開切眼端卸壓角按58°劃定。對于該類型保護層開采,無需另行施工專用頂(底)板巖巷,利用保護層工作面沿空留巷順槽施工傾斜穿層鉆孔可以有效抽采被保護層卸壓瓦斯,消除被保護層突出危險性。相同地質條件下保護層開采比水力沖孔卸壓更充分、更均勻,再一次證明了保護層開采在防治煤與瓦斯突出中的重要性。初步形成了一套“基于瓦斯地質的突出危險性預評價→突出危險性區(qū)域預測→保護層開采可行性分析→保護層開采+卸壓瓦斯抽采→抽采達標評判”的完整體系。為該礦及豫西地區(qū)選擇一煤組作為保護層,保護上覆二煤組提供了技術參數(shù),也為李溝礦及豫西地區(qū)未來區(qū)域瓦斯治理提供了一定依據(jù)。
【關鍵詞】：急傾斜煤層 保護層開采 巖層移動 卸壓瓦斯抽采
【學位授予單位】：河南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-31
• 1.1 問題提出及選題依據(jù)13-15
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀及存在的問題15-23
• 1.2.1 保護層開采技術研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 保護層開采覆巖移動規(guī)律及裂隙演化研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.3 煤層瓦斯?jié)B流耦合理論研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.4 保護層開采卸壓瓦斯抽采21-23
• 1.2.5 前期研究重點及待解決的主要問題23
• 1.3 研究內容及方法23-24
• 1.3.1 本文研究內容23-24
• 1.3.2 研究技術路線24
• 參考文獻24-31
• 2 急傾斜煤層賦存及瓦斯地質特征31-43
• 2.1 急傾斜煤層分布及埋藏特征31-35
• 2.1.1 急傾斜煤層分布特征31-33
• 2.1.2 急傾斜煤層埋藏特征33-34
• 2.1.3 急傾斜煤層開采特點34-35
• 2.2 李溝井田瓦斯賦存規(guī)律及煤與瓦斯突出特征35-41
• 2.2.1 瓦斯賦存規(guī)律35-37
• 2.2.2 煤與瓦斯突出特征及控制因素37-41
• 2.3 本章小結41
• 參考文獻41-43
• 3 急傾斜近距離下保護層開采相似模擬實驗研究43-71
• 3.1 相似模擬試驗理論概述43-44
• 3.1.1 相似定理43-44
• 3.1.2 相似準則44
• 3.2 相似模擬試驗設計44-46
• 3.2.1 實驗原型44-45
• 3.2.2 相似模擬模型設計45-46
• 3.3 相似材料的選取及配比46-49
• 3.3.1 相似材料選取46-47
• 3.3.2 相似材料配比47-49
• 3.4 實驗過程及觀測49-52
• 3.4.1 模型觀測方案49-51
• 3.4.2 實驗過程51-52
• 3.5 模型開采與實驗結果分析52-68
• 3.5.1 模型開采過程52-54
• 3.5.2 上覆煤巖體裂隙發(fā)育特征54-55
• 3.5.3 上覆巖層及被保護層移動變形規(guī)律55-59
• 3.5.4 應力演化規(guī)律59-62
• 3.5.5 保護范圍及垮落角62-64
• 3.5.6 聲發(fā)射特征64-68
• 3.6 本章小結68-69
• 參考文獻69-71
• 4 急傾斜近距離下保護層開采巖層移動變形規(guī)律71-93
• 4.1 急傾斜煤層開采覆巖移動特征71-73
• 4.1.1 巖體的原始應力狀態(tài)71
• 4.1.2 急傾斜下保護層采空區(qū)上覆煤巖體移動特征71-73
• 4.2 急傾斜下保護層開采頂板破斷規(guī)律73-80
• 4.2.1 急傾斜頂板受力分析73-75
• 4.2.2 頂板初次垮落薄板分析75-78
• 4.2.3 正常開采階段薄板分析78-80
• 4.3 被保護層應力分布及移動變形數(shù)值模擬研究80-91
• 4.3.1 概述80-81
• 4.3.2 數(shù)值模型的建立81-82
• 4.3.3 監(jiān)測點布置82-83
• 4.3.4 一_8煤層開采后二_1煤的應力演化規(guī)律83-88
• 4.3.5 一_8煤層開采后二_1煤的膨脹變形規(guī)律88-91
• 4.4 本章小結91-92
• 參考文獻92-93
• 5 急傾斜近距離下保護層開采氣固耦合模型及數(shù)值模擬93-121
• 5.1 保護層開采煤巖變形與卸壓瓦斯流動氣固耦合模型93-107
• 5.1.1 煤層瓦斯賦存的含量方程94
• 5.1.2 瓦斯流動控制方程94-96
• 5.1.3 瓦斯流動連續(xù)性方程96-98
• 5.1.4 含瓦斯煤體有效應力分析98-101
• 5.1.5 含瓦斯煤體孔隙率及滲透率方程101-104
• 5.1.6 采動煤巖體變形方程104-106
• 5.1.7 采動煤巖體屈服準則106-107
• 5.2 急傾斜近距離下保護層開采卸壓瓦斯抽采氣固耦合數(shù)值模擬107-118
• 5.2.1 軟件功能模塊107
• 5.2.2 數(shù)值模擬過程107-109
• 5.2.3 被保護層瓦斯壓力變化規(guī)律109-118
• 5.3 本章小結118-119
• 參考文獻119-121
• 6 急傾斜近距離下保護層開采卸壓瓦斯抽采工程實踐121-143
• 6.1 保護層開采工程概況121-125
• 6.1.1 礦井概況121
• 6.1.2 煤層突出危險性分析121-123
• 6.1.3 保護層開采可行性分析123-124
• 6.1.4 保護層及被保護層開采范圍124-125
• 6.2 保護層開采綜合瓦斯治理125-127
• 6.2.1 保護層工作面風排瓦斯治理125-126
• 6.2.2 采空區(qū)埋管抽放瓦斯126
• 6.2.3 保護層工作面順槽傾斜穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采126-127
• 6.3 保護層開采卸壓效果考察127-135
• 6.3.1 被保護層瓦斯壓力變化127-129
• 6.3.2 被保護層透氣性系數(shù)變化129
• 6.3.3 被保護層瓦斯涌出考察129-131
• 6.3.4 保護范圍及卸壓角考察131-135
• 6.4 區(qū)域防突補充措施135-136
• 6.5 瓦斯抽采達標評判136-140
• 6.5.1 區(qū)域措施效果檢驗136-138
• 6.5.2 被保護層掘進工作面突出危險性預測與檢驗138-140
• 6.6 本章小結140-143
• 7 結論與展望143-147
• 7.1 主要結論143-145
• 7.2 論文創(chuàng)新點145
• 7.3 研究展望145-147
• 作者簡歷147-149
• 學位論文數(shù)據(jù)集149

【相似文獻】

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