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极薄保护层钻采上覆突出煤层变形与透气性分布规律及在卸压瓦斯抽采中的应用

作　者: 刘海波
导　师: 程远平
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 极薄保护层钻采 消突临界指标 卸压 煤层顶底板变形 卸压瓦斯抽采
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 688次
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内容摘要


本文在理论分析的基础上,利用相似材料模拟试验、数值模拟和现场试验相结合的研究方法,系统研究了极薄保护层钻采过程中上覆煤岩体移动变形、被保护煤层采动裂隙发育及分布特征、被保护煤层地应力变化及煤层顶底板变形、煤层透气性变化及分布、被保护煤层卸压瓦斯流动规律及在卸压瓦斯抽采中的应用,其研究成果对解决类似采矿地质条件下的煤与瓦斯突出防治及深部安全开采问题有重要实际意义。研究表明,崔庙煤矿二1煤层具有强突出危险性,二1煤层消除突出危险性必须将瓦斯压力降至0.32MPa以下或者瓦斯含量降至8m3/t以下。针对崔庙煤矿特殊的采矿地质条件和二1煤层具有低透气性、高瓦斯和强突出危险性的特点,提出采用螺旋钻采煤机钻采极薄保护层一9煤层结合上覆二1煤层卸压瓦斯强化抽采的区域性瓦斯治理方法。利用煤层采动瓦斯渗透性模拟试验台对极薄保护层钻采上覆被保护煤层地应力、煤层变形和煤层透气性变化及分布进行试验研究。结果表明,在极薄保护层钻采过程中上覆煤岩体产生整体弯曲下沉,没有冒落带和明显的断裂带。被保护煤层位于弯曲下沉带,由于采动作用在煤层中产生大量顺层张裂隙,被保护煤层与保护层之间没有形成明显的垂直连通裂隙。被保护煤层地应力大大降低,在充分卸压区实测煤层顶底板膨胀变形为10.5mm,相对变形为1.31‰。通过相似模拟试验验证了气体在煤层中的流动规律符合达西定律,并研究得出极薄保护层钻采前后被保护煤层透气性变化及分布特征。数值模拟研究表明,被保护煤层在受保护区域地应力平均为3.4MPa,比原岩应力下降32%。在充分卸压区煤层顶底板膨胀变形为11mm,相对变形为1.4‰。随着保护层工作面向前钻采,被保护煤层顶底板变形呈现压缩、快速膨胀、膨胀变形减小到稳定的变化规律。同时研究表明,极薄保护层采高对被保护煤层的卸压膨胀变形有很大影响。采用RFPA数值模拟软件对极薄保护层钻采上覆被保护煤层透气性变化和卸压瓦斯流动及瓦斯抽采规律进行模拟。研究表明,极薄保护层钻采后被保护煤层透气性急剧增大,比原始煤体透气性增大407倍。在煤层中形成了卸压瓦斯“解吸-扩散-渗流”的活化流动条件,卸压瓦斯在被保护煤层的顺层张裂隙中流动。同时研究表明瓦斯抽采穿层钻孔周围的瓦斯压力随极薄保护层工作面推进距离和抽采时间的增大而有明显降低。现场试验研究表明,采用极薄保护层钻采结合卸压瓦斯强化抽采的区域性瓦斯治理方法后,在试验区二1煤层的瓦斯压力由0.75MPa降为0.15MPa,瓦斯含量由13m~3/t降为4.66m~3/t,煤层顶底板膨胀变形为12mm,相对变形为1.5‰,煤层的透气性系数由0.047m~2/MPa~2·d增加到18.928m2/MPa~2·d,提高了403倍,瓦斯抽采率达到64%,二1煤层已经全面消除煤与瓦斯突出危险。同时研究表明,理论分析、相似材料模拟试验、数值模拟和现场试验研究得到的结论具有很好的一致性。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-17
1 绪论  17-36
  1.1 选题目的及意义（Purpose and Significance of Topic Selection）  17-21
  1.2 国内外研究现状（Present Research Situation of Home and Abroad）  21-33
    1.2.1 煤层开采上覆煤岩体移动变形及覆岩采动裂隙演化研究现状（Present Research Situation of Movement and Deformation of Overlying Coal-Rock Mass and Overburden Rock Cracks Evolution Under Mining）  21-25
    1.2.2 煤岩体瓦斯渗流研究现状（Present Research Situation of Gas Seepage in Coal-Rock Mass）  25-29
    1.2.3 保护层开采及卸压瓦斯抽采技术研究现状（Present Research Situation of Protective Coal Seam Mining and Pressure Relief Gas Drainage）  29-33
  1.3 研究的主要内容和技术路线（Main Research Contents and Technical Route）  33-36
    1.3.1 主要研究内容（Main Research Contents）  33-34
    1.3.2 技术路线（Technical Route）  34-36
2 煤层突出危险性评价  36-48
  2.1 基于瓦斯地质单元法的二_1 煤层突出危险性评价（Evaluation on Outburst Risk of Coal Seam No.2_1 Based on Gas-geological Unit Methods）  36-40
    2.1.1 瓦斯地质单元法（Gas-geological Unit Methods）  36-37
    2.1.2 影响煤层突出危险性的主要因素（Main Influencing Factors of Outburst Risk of Coal Seam）  37-39
    2.1.3 二_1 煤层突出危险性评价（Evaluation on Outburst Risk of Coal Seam No.2_1）  39-40
  2.2 二_1 煤层发生煤与瓦斯突出瓦斯压力最小值研究（Determination of Minimum Pressure Causing Outburst of Coal Seam No.2_1）  40-44
    2.2.1 矿山统计法（Mine Statistical Method）  41
    2.2.2 理论分析法（Theoretical Analysis Method）  41-44
  2.3 二_1 煤层突出危险性临界指标确定（Determination of Critical Values for Outburst Risk of Coal Seam No.2_1）  44
  2.4 二_1 煤层瓦斯治理方法（Gas Government Measure of Coal Seam No.2_1）  44-46
  2.5 本章小结（Chapter Conclusion）  46-48
3 极薄保护层钻采上覆煤层变形及透气性变化相似模拟试验  48-77
  3.1 概述（Summary）  48-49
  3.2 相似模拟试验理论基础及研究内容（Theoretical Basis and Research Contents of Similar Simulation Experiment）  49-50
    3.2.1 相似模拟试验理论基础（Theoretical Basis of Similar Simulation Experiment）  49-50
    3.2.2 相似模拟试验研究内容（Research Contents of Similar Simulation Experiment）  50
  3.3 相似模拟试验台及测试仪器（Similar Simulation Test-beds and Test Instruments）  50-53
    3.3.1 相似模拟试验台（Similar Simulation Test-beds）  50-52
    3.3.2 相似模拟试验测试仪器（Test Instruments of Similar Simulation Test）  52-53
  3.4 煤层透气性测试理论依据、测试系统与方法（Theoretical Basis for Seam Permeability Test, Test System, and Test Method）  53-55
    3.4.1 煤层透气性测试理论依据（Theoretical Basis for Seam Permeability Test）  53
    3.4.2 煤层透气性测试系统与方法（Test System and Method of Seam Permeability）  53-55
  3.5 试验原型及模型设计（Experimenting Prototype and Model Design）  55-59
    3.5.1 试验原型（Experimenting Prototype）  55-56
    3.5.2 相似材料模型设计（Similar Material Model Design）  56-59
  3.6 试验步骤与试验结果（Test Procedure and Results）  59-75
    3.6.1 模型铺设（Laying Model）  59-60
    3.6.2 模型开采（Mining Model）  60-62
    3.6.3 上覆煤岩体移动变形及采动裂隙发育（Deformation and Fracture Development of the Overlying Coal-rock Mass）  62-63
    3.6.4 被保护煤层地应力变化规律（Change Rule of Ground Stress in the Protected Coal Seam）  63-66
    3.6.5 被保护煤层顶底板变形（Deformation of the Protected Coal Seam Roof and Floor）  66-67
    3.6.6 被保护煤层透气性变化及分布特征（Permeability Change and Permeability Distribution of the Protected Coal Seam）  67-75
  3.7 本章小结（Chapter Conclusion）  75-77
4 极薄保护层钻采上覆煤层应力和变形数值模拟研究  77-98
  4.1 概述（Introduction）  77
  4.2 UDEC 的基本原理及应用领域[110]（UDEC Basic Principles and Application Fields）  77-78
  4.3 模型建立（Model Establishment）  78-81
    4.3.1 数值模拟试验地质条件（Geological Conditions of Numerical Simulation Test）  78-79
    4.3.2 计算条件及计算范围(Caculation Conditions and Caculation Range)  79-80
    4.3.3 力学参数的选取（Selection of Mechanical Parameters）  80-81
  4.4 数值模拟结果及分析（Results and Analysis of Numerical Simulation）  81-96
    4.4.1 上覆煤岩体地应力变化规律（Ground Stress Change Rule of Overlying Coal-rock Mass）  81-84
    4.4.2 被保护煤层顶底板变形变化规律（Deformation Change Rule of the Protected Coal Seam Roof and Floor）  84-86
    4.4.3 坚硬灰岩顶板缓慢弯曲下沉动态过程（Slow Subsidence Dynamic Process of Hard Limestone Roof）  86-87
    4.4.4 保护层工作面留设小煤柱破坏过程（Failure Process of Small Pilllars in the Protective Face）  87-88
    4.4.5 极薄保护层采高与被保护煤层地应力和变形关系（Relationship Between Drilling Height, Stress, and Deformation in the Protected Seam）  88-92
    4.4.6 极薄保护层钻采距离与被保护煤层地应力和变形关系（Relationship Between Drilling Distance, Stress, Deformation in the Protected Seam）  92-95
    4.4.7 极薄保护层钻采对被保护煤层卸压保护作用分析（Analysis of Pressure Relief and Protective Effect on the Protected Coal Seam Induced by Drilling the Extra-thin Protective Coal Seam）  95-96
  4.5 本章小结（Chapter Conclusion）  96-98
5 煤层卸压瓦斯流动与抽采固气耦合模型及数值模拟  98-116
  5.1 概述（Introduction）  98
  5.2 煤层瓦斯赋存（Gas Occurrence in the Coal Seam）  98-101
    5.2.1 煤层瓦斯赋存状态（Gas Occurrence State in the Coal Seam）  98
    5.2.2 煤的孔隙特征（Pore Characteristic of Coal）  98-99
    5.2.3 煤层瓦斯吸附特性（Gas Absorption Speciality of Coal）  99-100
    5.2.4 煤层瓦斯压力及含量（Seam Gas Pressure and Content）  100
    5.2.5 含瓦斯煤的渗透特性（Seepage Propertie of Coal Containing Gas）  100-101
  5.3 煤层瓦斯流动（Gas Flow in the Coal Seam）  101-104
    5.3.1 煤层瓦斯流动数学模型的基本方程（Basic Equations For Gas Flow Mathematical Model）  102-103
    5.3.2 煤层瓦斯流动数学模型（Gas Flow Mathematical Model）  103-104
  5.4 煤岩－瓦斯固气耦合模型理论及数值解法[119]（Theory for Solid-Gas Coupling Model and Numerical Solution）  104-108
    5.4.1 煤岩－瓦斯固气耦合模型理论（Theory for Solid-Gas Coupling Model）  104-106
    5.4.2 固气耦合模型数值解法（Numerical Solution of Solid-Gas Coupling Model）.  106-108
  5.5 极薄保护层钻采被保护煤层卸压瓦斯流动与抽采数值模拟（Numerical Simulation of Pressure Relief Gas Flow and Drainage in the Protected Coal Seam Induced by Drilling the Extra-thin Protective Coal Seam）  108-109
    5.5.1 数值模型建立和计算参数（Numerical Model and Calculation Parameters）  108-109
    5.5.2 数值模拟研究内容（Research Contents of Numerical Simulation）  109
  5.6 数值模拟结果及分析（Results and Analysis of Numerical Simulation）  109-114
  5.7 本章小结（Chapter Conclusion）  114-116
6 极薄保护层钻采及卸压瓦斯抽采现场试验研究  116-132
  6.1 矿井概况（General Situation of Mine）  116
  6.2 试验区概况（General Situation of Test Area）  116-119
    6.2.1 试验区范围（Range of Test Area）  116-117
    6.2.2 试验区煤层赋存情况（Conditions of Coal Seam in Test Area）  117-118
    6.2.3 保护层工作面开采方式（Exploitation Mode of the Protective Face）  118
    6.2.4 试验区煤层瓦斯（Coal Seam Gas of Test Area）  118-119
    6.2.5 试验区瓦斯治理方案（Schemes For Gas Control in Test Area）  119
  6.3 卸压瓦斯抽采方法（Drainage Methods of Pressure Relief Gas）  119-121
  6.4 极薄保护层钻采效果考察（Effect Examination of Drilling the Extra-thin Protective Coal Seam）  121-125
    6.4.1 被保护煤层瓦斯压力变化（Gas Pressure Change of the Protected Coal Seam）  121-122
    6.4.2 被保护煤层透气性变化（Permeability Change of the Protected Coal Seam）.  122
    6.4.3 被保护煤层顶底板变形（Deformation Value of the Protected Coal Seam Roof and Floor）  122-124
    6.4.4 L9 坚硬灰岩顶板下沉量（Roof Subsidence of L9 Hard Limestone）  124-125
  6.5 被保护煤层卸压瓦斯抽采规律（Rule of Pressure Relief Gas Drainage of the Protected Coal Seam）  125-127
    6.5.1 试验区卸压瓦斯抽采规律（Rule of Pressure Relief Gas Drainage in Test Area）  125-126
    6.5.2 单一钻孔和钻场卸压瓦斯抽采规律（Pressure Relief Gas Drainage Rule of Single Hole and Drilling Field）  126-127
  6.6 二1 煤层消除煤与瓦斯突出危险性评价（Evaluation on Eliminating Outburst Risk of Coal Seam No.2_1）  127-129
    6.6.1 试验区二_1 煤层已无煤与瓦斯突出危险性论证依据（Demonstration Basis of Eliminating Outburst Risk of Coal Seam No.2_1 in Test Area）  128
    6.6.2 试验区二_1 煤层消除突出危险性认证结果（Certification Result of Eliminating Outburst Risk of Coal Seam No.2_1）  128-129
  6.7 相似试验、数值模拟和现场试验结果对比分析（Comparative Analysis of Similar Simulation, Numerical Simulation, and Field Test）  129-131
    6.7.1 上覆煤岩体移动和采动裂隙分布特征（Movement of Overlying Coal-Rock Mass and Distribution Features of Mining-induced Fractures）  129
    6.7.2 被保护煤层顶底板变形（Deformation of the Protected Coal Seam Roof and Floor）  129-130
    6.7.3 被保护煤层透气性变化（Change Rule of the Protected Coal Seam Permeability）  130
    6.7.4 坚硬L_9 灰岩顶板弯曲下沉量（Roof Subsidence of L_9 Hard Limestone）  130-131
  6.8 本章小结（Chapter Conclusion）  131-132
7 结论及展望  132-137
  7.1 主要结论（Main Conclusions）  132-135
  7.2 主要创新点（Main Innovative Points）  135-136
  7.3 今后研究工作展望（Prospects of Future Study）  136-137
参考文献  137-143
作者简历  143-145
学位论文数据集  145

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿井大气 > 矿井瓦斯
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