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高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究

作　者: 吴海进
导　师: 林柏泉
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 低透气性煤层卸压增透瓦斯流动钻割一体化
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 8次
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内容摘要

煤炭是我国的基础能源,随着开采深度的增加,瓦斯已成为严重威胁煤矿安全生产的主要因素。由于我国大多数煤田均属于低透气性煤层,故作为瓦斯治理最主要技术措施的钻孔抽采,实际效果并不理想。因此,通过对高瓦斯低透气性煤层卸压增透,提高抽采钻孔的单孔有效影响范围,已成为实现煤矿可持续发展的关键环节。本文首先从不同硬度煤体孔隙裂隙微观结构的研究入手,采用分形学方法,对压汞实验所得的孔隙结构和电镜扫描所得的煤样表面裂隙结构进行分形维数的计算,并发现随着煤体硬度的增加,孔隙裂隙结构的复杂程度越来越低。其次,基于对复杂裂隙结构的简化,建立了煤体裂隙结构瓦斯流动的毛细管和壁面模型,并基于相关假设,以达西渗流和菲克扩散定律为基础,研究在简化模型中瓦斯的流动和运移规律。同时,还推导出瓦斯在两种模型中的运动方程,并进行了流速和流量的分析。第三,利用模型分析结果对钻孔周围煤体中瓦斯的流动规律进行研究,得到钻孔影响范围煤层达到整体消突的时间t,同时通过钻孔周围煤体中两种模型瓦斯流动规律的对比分析,发现两种简化模型流动规律的差异主要体现在与时间量、位移量无关的系数上。继而以单通道毛细管瓦斯流动模型为基础,对水力割缝卸压范围内煤体中瓦斯的流动规律进行了理论研究,得到水力割缝卸压范围内达到整体消突的时间t,用以指导工程实践。第四,在建立“煤层钻割一体化卸压增渗实验系统”的基础上,以熔化石蜡板代替缝槽,对高压磨料射流割缝技术的应用效果进行了物理模拟。并通过应力传感器配合数据采集系统的数据分析发现:随着缝槽宽度的增加,卸压范围逐渐加大;当割缝高度一定时,垂直方向上,随着与缝槽距离的增加,卸压程度总体呈现逐渐减小的趋势,但受影响的范围却有一定程度的增加;但随着割缝高度的增加,上部煤层受影响的范围和强度均会不同程度的增加,尽管效果并不显著;另外,综合两侧的实验分析,还勾勒出了缝槽卸压的轮廓线。笔者还通过自制的透气性测试球对不同缝槽形成后的透气性变化规律进行了分析,确定了对应的有效卸压影响范围。并通过对位移测定装置测得的实验终态缝槽上方不同位置位移量数据的拟合,推导出了反应9mm缝槽形成后,下向位移量与距离关系的经验方程。同时,本文还通过建立数值计算模型,采用快速拉格朗日差分分析FLAC模拟软件,较为全面地对割缝缝槽的卸压效果进行了研究。首先,从理论上分析了钻孔与割缝的卸压效果,在相同的地应力和煤体力学参数下,钻孔的卸压效果远远落后于缝槽。通过二维模拟对缝槽的卸压影响因素进行了研究,包括缝槽的宽度、高度、垂直于缝槽平面的应力、最大主应力与缝槽平面法线方向的夹角以及缝槽之间的相互影响等。为更直观地研究割缝缝槽对于煤体的卸压状况,还通过FLAC3D模拟了单个缝槽和多个缝槽的卸压效果。另外,本文还基于芦岭煤矿的煤层赋存条件进行了顺层钻割孔、单排穿层钻割孔以及多排穿层钻割孔的的三维数值模拟分析,研究结果表明:穿层钻割和顺层钻割都能起到较为理想的卸压增透效果,尤其是在穿层多排钻孔的模拟中,由于相互的影响,形成了整体卸压,从而大幅度提高了区域煤层的整体透气性,为大面积区域性瓦斯预抽奠定了良好的基础。最后,为配合煤层割缝卸压技术的应用,解决工程实践中遇到的问题,研制了将机械钻进与磨料射流割缝相结合的高压磨料射流钻割一体化装备,并在此基础上将该装备应用于淮北矿业集团芦岭煤矿II8210工作面的底板岩巷穿层卸压增透和重庆天弘矿业有限公司盐井一矿主井K4-K2煤层石门揭煤的卸压增透工作中,对相关参数进行了测定分析。通过以上研究,在理论上推导出了割缝卸压范围内达到整体消突时间t的表达式,技术上开发了用于高瓦斯低透气性煤层卸压增透的“钻”“割”“抽”三位一体的技术措施,装备上研制了将机械钻进和割缝相结合的高压磨料射流钻割一体化装备,通过实际应用,穿层钻孔瓦斯日抽采纯量可增加11倍。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
Abstract (detailed)  10-22
1 绪论  22-36
  1.1 选题背景及研究意义  22-23
    1.1.1 选题背景  22-23
    1.1.2 课题研究意义  23
  1.2 国内外研究现状及分析  23-33
    1.2.1 理论研究现状及分析  23-29
    1.2.2 技术研究现状及分析  29-33
  1.3 研究存在的主要问题  33
  1.4 本文的主要研究内容  33-34
  1.5 研究完成情况  34-36
2 不同硬度煤体结构特征分析研究  36-56
  2.1 煤体孔隙裂隙分类  36-37
    2.1.1 煤体孔隙分类  36-37
    2.1.2 煤体裂隙分类  37
  2.2 煤样的孔隙测定及分形维数计算  37-46
    2.2.1 压汞法测定的基本原理  38
    2.2.2 不同硬度煤体孔隙率变化规律分析  38-40
    2.2.3 煤孔隙的分形特征  40-41
    2.2.4 孔隙结构分形维数计算  41-46
  2.3 煤样电镜图片裂隙分析及分形维数计算  46-55
    2.3.1 裂隙参数及分形的基本概念  47-50
    2.3.2 煤样裂隙分形维数的计算  50-55
  2.4 本章小结  55-56
3 煤体孔隙裂隙瓦斯渗流规律研究  56-99
  3.1 基于简化单通道模型的瓦斯流动规律研究  56-74
    3.1.1 瓦斯运移的单通道毛细管流动模型分析  57-66
    3.1.2 瓦斯运移的单通道壁面层流模型分析  66-72
    3.1.3 裂隙瓦斯流动的紊流理论分析  72-74
  3.2 钻孔周围煤体中瓦斯流动的理论分析  74-85
    3.2.1 钻孔周围煤体中瓦斯流动数学模型的建立  74-75
    3.2.2 基于毛细管流动模型的钻孔周围煤体中瓦斯流动分析  75-81
    3.2.3 基于壁面流动模型的钻孔周围煤体中瓦斯流动分析  81-85
  3.3 水力割缝卸压范围内煤体中瓦斯流动的理论分析  85-97
    3.3.1 水力割缝卸压范围内煤体中瓦斯流动数学模型的建立  85-87
    3.3.2 水力割缝卸压范围内煤层中瓦斯流动毛细管模型的理论分析  87-97
  3.4 本章小结  97-99
4 煤体割缝卸压增透物理模拟研究  99-127
  4.1 相似材料模拟实验理论基础  99-101
    4.1.1 相似三定律  99-100
    4.1.2 相似材料模型实验的相似指标  100-101
  4.2 实验介绍  101-108
    4.2.1 实验目的、内容及方法介绍  101-102
    4.2.2 实验仪器设备  102-104
    4.2.3 试样的制备  104
    4.2.4 测试方法简介  104-108
  4.3 模型铺设及实验  108-111
    4.3.1 模型的铺设  108-109
    4.3.2 模型的开挖  109-110
    4.3.3 油缸加载计算  110-111
  4.4 实验现象及结果分析  111-125
    4.4.1 石蜡板的熔化  111
    4.4.2 煤体内部缝槽形成后应力场演化规律研究  111-122
    4.4.3 煤体透气性变化规律分析  122-124
    4.4.4 煤体位移变化规律分析  124-125
  4.5 本章小结  125-127
5 煤体割缝卸压增透数值模拟研究  127-163
  5.1 数值模拟软件简介  127-130
    5.1.1 模拟软件选择  127
    5.1.2 FLAC 简介  127-128
    5.1.3 模型参数简介  128-130
  5.2 钻孔和缝槽卸压效果比较  130-132
    5.2.1 钻孔卸压的缺陷  130-131
    5.2.2 钻孔和缝槽卸压效果数值分析  131-132
    5.2.3 钻孔与缝槽的卸压效果比较  132
  5.3 缝槽卸压增透的影响因素分析  132-139
    5.3.1 缝槽高度的影响  133-134
    5.3.2 缝槽宽度的影响  134-135
    5.3.3 垂直于缝槽平面应力对缝槽卸压的影响  135-136
    5.3.4 最大主应力方向和缝槽平面法线方向夹角对卸压影响  136-138
    5.3.5 缝槽之间的相互影响  138-139
  5.4 割缝卸压的三维数值分析  139-153
    5.4.1 单个缝槽卸压增透效果模拟  140-146
    5.4.2 多个缝槽整体卸压增透效果模拟  146-153
  5.5 芦岭煤矿数值模拟研究  153-161
    5.5.1 顺层钻割卸压孔  154-157
    5.5.2 单排穿层钻割卸压孔  157-159
    5.5.3 多排穿层钻割卸压孔  159-161
  5.6 本章小结  161-163
6 高瓦斯低透气性煤层卸压增透设备研制及现场应用研究  163-188
  6.1 高压磨料射流钻割一体机的研制  163-177
    6.1.1 高压磨料射流钻割一体机的工作原理  163-164
    6.1.2 高压磨料射流钻割一体机的组成  164-168
    6.1.3 设备关键部件的研制  168-172
    6.1.4 设备切割能力实验效果  172-177
  6.2 芦岭煤矿II8210 工作面底板岩巷穿层卸压增透应用研究  177-183
    6.2.1 试验区概况  177-178
    6.2.2 底板岩巷穿层卸压增透试验方案  178-181
    6.2.3 底板岩巷穿层卸压增透试验效果考察  181-183
  6.3 盐井一矿主井K4-K2 煤层石门揭煤卸压增透应用研究  183-188
    6.3.1 试验区概况  183-184
    6.3.2 石门快速揭煤卸压增透试验方案  184-185
    6.3.3 效果考察  185-188
7 结论及展望  188-192
  7.1 本文的主要研究成果  188-191
  7.2 主要创新点  191
  7.3 本文研究的前景展望  191-192
参考文献  192-198
作者简历  198-201
学位论文数据集  201

高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究

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