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分叉突出煤层上保护层开采保护特性研究

作　者: 宁齐元
导　师: 赵云胜
学　校: 中国地质大学
专　业: 安全工程
关键词: 事故统计分析煤与瓦斯突出上保护层开采分叉煤层效果评价
分类号: TD823
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

煤与瓦斯突出是煤矿开采中的重大灾害之一,其事故的严重性以及突出的复杂性,使得世界各国十分重视对煤与瓦斯突出的研究,目的就是能够有效的预防煤与瓦斯突出,减小突出事故的发生率或防治突出事故的发生。保护层开采是当前防治煤与瓦斯突出的最经济、最有效的区域防治措施,有符合保护层可采的矿井都应首选此措施。然而,从目前的研究保护层的文献资料来看,当前对保护层开采防突的研究主要集中在近平行煤层群之间,上保护层开采对分叉突出煤层的影响研究十分少见,或尚未见相关文献资料。对于分叉突出煤层,根据国家法规《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿安全规程》所给出的参考值划定保护层开采保护范围的方法并一定不适用,可能存在一定的误差。本论文在现有的煤与瓦斯突出的研究成果和假说的基础上,以湖南省湘煤集团金竹山矿区的土朱矿井和一平硐矿井分叉突出煤层为研究对象,采用现场煤层瓦斯参数测试研究、实验室实验,建立力学模型、理论分析和数值模拟计算相结合的研究方法,主要对金竹山矿区突出事故进行统计分析,总结了发生突出事故的原因；研究了分叉煤层的瓦斯运移特性、瓦斯压力与围岩变化规律；以及上保护层开采对分叉煤层的保护范围和保护效果等。获得的主要研究成果和结论如下：(1)煤与瓦斯突出的原因十分复杂,发生突出的过程也多变。为了更好地总结煤矿突出事故教训,探寻煤矿突出伤亡事故的发生规律,在利用传统的图表统计法对历年来金竹山矿区的两对主要矿井(土朱矿井和一平硐矿井)地质构造情况调查及突出事故统计的基础上,分析影响突出事故频发的重要因素,另从突出的条件及突出的原因进行系统分析,得出了影响突出事故频发的重要因素——分叉构造及断层构造,为预防和控制煤矿突出事故的发生和加强煤矿安全管理提供理论依据。(2)进行了金竹山矿区土朱矿井和一平硐矿井的煤层瓦斯基本参数在实验室测定和保护层开采前后煤层瓦斯参数现场测试。通过实验室测定得到了煤样参数：煤的坚固性系数f为0.18,瓦斯放散初速度△P为39.00,吸附常数a为35.43m3/t,吸附常数b为1.620MPa-1,水分Mad为3.27%,灰分Aad为7.78%,挥发分Vdaf为4.52%,真密度TRD为1.61t/m3,视密度ARD为1.52t/m3,孔隙率F为5.59%。通过煤矿现场测试得到了：煤层瓦斯压力1.5MPa,煤层透气性系数为5.36×10-3m2/MPa2.d,煤层应力2.5MPa,煤层瓦斯相对含量为11.7m3/t等参数。三个钻孔的测试结果显示,5叉煤原始瓦斯压力为1.54MPa。当保护层工作面采至离测孔26米时,瓦斯压力开始受到采动的影响,随采面推进,瓦斯压力呈下降趋势变化。由于上保护层与突出煤层之间的距离很小,当采用保护层开采后,岩体中形成自由空间,破坏了原岩应力的平衡,岩体会向采空区方向移动,地应力重新分布,并发生顶板冒落与下沉、底板鼓起等现象,煤层与岩体发生卸压、膨胀,同时岩层中产生大量的贯穿裂隙,使得5叉煤的透气性增大,引起3煤回采工作面的瓦斯涌出增大,从而降低了5叉煤层的瓦斯含量和瓦斯压力。(3)根据金竹山土朱矿井2136工作面的具体状况及顶底板力学条件和上保护层的开采现状,通过CFD建立数学物理模型,利用高等流体力学数值模拟Fluent软件进行瓦斯运移规律模拟研究计算,总结了开采上保护层(3煤)对下部被保护层(5叉煤)在保护层工作面沿走向推进时和在不同分叉角度下的瓦斯运移规律。三维模拟计算结果发现：1)在采煤初期时,瓦斯不断向采空区渗透,而且5叉煤的瓦斯向采空区的渗透趋势较大,在5叉煤与3煤采空区之间的岩层形成了一定的瓦斯运动挤压区域,而这种瓦斯挤压区域随着工作面的推进而逐渐消失。上保护层开采时,工作面采空区瓦斯运移归结为三个阶段：①在开采初期,大量瓦斯具有向采空区方向渗透趋势,由于此时的应力释放不充分不存在大量瓦斯涌出的条件,因此,在保护煤层开采底板附近具有大量瓦斯聚集,并形成一定范围的挤压区域。②随着工作面的推进,由于煤体被逐渐开采,采空区增大,应力也慢慢被得到释放,瓦斯向采空区的运动趋势慢慢变弱,聚集现象逐渐也不明显。这个时期保护煤层的底板瓦斯涌出量变小,因此,挤压区域也逐渐减小。③在开采后期,采空区达到一定范围后,这个时候瓦斯向采空区的运动达到最小,挤压区域也逐渐消失,瓦斯压力趋于平稳。2)随着工作面的推进,对瓦斯压力的变化值进行分析。其结果显示：①瓦斯压力在靠近5叉煤层处压力最大,随着离保护层的距离的减小,瓦斯压力不断减小,在工作面处压力最小。②垂直面的瓦斯运移速度分布沿着离保护层开采的越近的方向速度逐渐增大,其流量也逐渐增大,在采空区达到最大值。在远离采空区的岩层和煤层,瓦斯流动速度基本上不变。③在开采之前,5叉煤层的原始瓦斯压力为1.5MPa。当推进40m后,在3煤层采空区相对应的下方的5叉煤层瓦斯压力范围为0.3MPa～1.3MPa;当工作面推进120m,采场达到稳定后,3煤层采空区相对应的下方的5叉煤层瓦斯压力范围为0.4MPa～0.8MPao(4)通过建立数学模型,利用现有的数值分析有限差分FLAC3D软件建立工作面沿走向推进和不同分叉角度的模型进行模拟计算得到：1)随着回采工作面沿走向推进,最大压应力出现在标高最低的监测点,数值为2.5MPa,且各个监测点的压应力呈现逐渐变小趋势,标高越高的点变化的越大,因为离工作面越近,卸压越充分,压力由1.73MPa变为0.66MPa。这说明随着工作面的向前推进,5叉煤层内部围岩的压力在逐渐变小,即工作面的开采明显对5叉煤起到了泄压的目的。2)随着工作面沿走向推进,各监测点位移均为负值,最大下沉量出现在离工作面最近的监测点(标高-105m),数值为9.97mm,随着回采工作面的向前推进,各监测点的位移都由负值向正值变化,工作面推进30m时,标高为-105,-113和-121的三监测点出现正值,离工作面距离走近的位移变化的幅度越大。煤岩作为一种多孔介质,煤岩层内部的移动,增加了各煤岩中的孔隙率,从而使得煤层里的瓦斯更容易释放排出,有利于对瓦斯压力的释放。3)不同分叉角的情况下,结果显示：①分叉夹角越大瓦斯压力越大,但是瓦斯流动速度越小,瓦斯浓度就很难减小,对5叉煤层就难以卸压。②随着5叉煤的分叉角度的增大,其瓦斯压力明显增加。这是由于角度越大,其离保护层工作面的距离越大,而岩层的渗透系数很小,阻力很大,瓦斯不容易通过岩层中向工作面运移,从而使得5叉煤的瓦斯压力无法卸载,压力依然很大。③随着α角度的增大,在开采保护层(3煤)的过程中明显不利于其煤层瓦斯压力的卸压。故在开采的时候叉煤的角度越大,其瓦斯压力越大,开采上保护层不利于5叉煤的卸压。④5叉煤层随着离保护层工作面的越远,所受上部岩层的压力越来越大,也就是说离工作面越远,其卸压效果不明显。而离开采保护层的工作面越近,其卸压程度相对更完全。因此,在遇到分叉角度较大的分叉煤层开采时,务必将其采取超前钻孔抽放瓦斯卸压,减小其瓦斯的压力和浓度,保证开采安全。(5)通过保护层开采效果评价及评价指标进行探讨分析得到：①沿走向方向的卸压角为58。,沿倾向方向卸压角为750左右。2号孔之所以所测压力值一直很小,因为处于21采区2136工作面机运巷的影响之下；1号孔在工作面推过前后变化并不显著,3孔在工作面推过前后有比较大的变化。1号孔最终压力为0.68MPa,2孔最终压力为0.44MPa,3号孔最终压力为0.18MPa,可确定2、3孔受煤层采动的保护,在保护范围之内,而1号孔不在保护范围之中。当2136工作面采过时,4、5、6号应力孔应力变化较大,先是快速减少,随着工作面的推进有所恢复,煤岩层应力得到有效的释放。②通过从瓦斯压力、煤岩应力和开采产生的位移等采动影响分析,对开采上保护层3煤对5叉煤的保护卸压效果分析研究,得到了5叉煤层随着分叉角度的增大,距离工作面或采空区距离的越远,应力释放相对较少,瓦斯运移速度也较慢,瓦斯浓度很难得到降低,卸压效果不明显。相反,在工作面影响范围内,煤岩受到采动影响,内部裂隙逐渐扩大,数量增多,煤岩层的渗透率增强,其卸压程度相对更完全。

全文目录

作者简介  7-8
摘要  8-11
ABSTRACT  11-18
第一章绪论  18-28
  §1.1 选题的来源、目的和意义  18
    1.1.1 课题来源  18
    1.1.2 本文的研究目的和意义  18
  §1.2 国内外研究现状  18-25
    1.2.1 国外煤与瓦斯突出机理研究现状  19-20
    1.2.2 国内煤与瓦斯突出机理研究现状  20-21
    1.2.3 煤与瓦斯吸附、脱附机理研究现状  21-23
    1.2.4 保护层开采研究现状  23-25
    1.2.5 煤与瓦斯突出研究趋势和存在问题  25
  §1.3 研究内容和技术路线  25-28
    1.3.1 研究内容和创新点  25-26
    1.3.2 技术路线  26-28
第二章金竹山矿区瓦斯突出事故特性研究  28-38
  §2.1 引言  28
  §2.2 矿区地质构造情况调查  28-31
    2.2.1 土朱矿井地质情况  28-30
    2.2.2 一平硐矿井地质情况  30-31
  §2.3 矿区瓦斯突出事故统计分析  31-35
    2.3.1 矿区突出事故调查  31
    2.3.2 一平硐矿煤与瓦斯突出情况  31-32
    2.3.3 土朱矿井瓦斯突出事故时空规律分析  32-35
  §2.4 瓦斯突出事故原因分析  35-36
    2.4.1 瓦斯突出的地质影响因素  35-36
    2.4.2 瓦斯突出事故中人的因素  36
  §2.5 本章小节  36-38
第三章煤矿现场瓦斯参数特性研究  38-63
  §3.1 引言  38
  §3.2 煤矿概况  38-41
    3.2.1 位置及交通  38-39
    3.2.2 矿井地质  39-40
    3.2.3 矿井开拓及开采  40-41
  §3.3 煤层瓦斯基本参数实验室测定  41-42
    3.3.1 煤层瓦斯参数实验室测试  41
    3.3.2 取样地点和取样方法  41
    3.3.3 测试方法与设备以及相关规范  41-42
    3.3.4 测试结果  42
  §3.4 保护层开采前后煤层瓦斯参数现场测试  42-61
    3.4.1 现场测试内容  43
    3.4.2 测试地点和范围  43
    3.4.3 测试钻孔布置方案  43-45
    3.4.4 煤层瓦斯压力的测定  45-53
    3.4.5 煤层透气性系数测定  53-54
    3.4.6 钻孔瓦斯流量及其衰减系数的测试  54-55
    3.4.7 煤岩层应力测定  55-61
    3.4.8 瓦斯含量测定  61
  §3.5 本章小结  61-63
第四章分叉煤层瓦斯运移特性研究  63-88
  §4.1 引言  63
  §4.2 煤层瓦斯流动基本规律  63-65
    4.2.1 瓦斯在煤层内的赋存  63
    4.2.2 瓦斯在煤层中的流动  63-64
    4.2.3 瓦斯在煤层中的运移规律  64-65
  §4.3 FLUENT建模与计算原理  65-68
    4.3.1 FLUENT软件  65
    4.3.2 CFD建模理论及计算过程  65-66
    4.3.3 CFD中的多孔介质  66-68
  §4.4 分叉煤层瓦斯运移的数学模型  68-70
    4.4.1 质量守恒方程  68-69
    4.4.2 动量守恒方程  69
    4.4.3 能量守恒方程  69
    4.4.4 湍流输运方程  69-70
  §4.5 分叉煤层物理模型及计算过程  70-73
    4.5.1 物理模型  70-72
    4.5.2 计算模型的假设  72
    4.5.3 网格的划分  72
    4.5.4 边界条件的设置  72-73
    4.5.5 计算方法与收敛条件  73
  §4.6 数值计算与结果分析  73-86
    4.6.1 煤层瓦斯运移压力和速度规律的分布  73-75
    4.6.2 上保护层开采对5叉煤瓦斯压力和流动速度的影响  75-81
    4.6.3 分叉角度对5叉煤瓦斯压力和流动速度的影响  81-86
  §4.7 本章小结  86-88
第五章分叉煤层上保护层开采力学特性研究  88-123
  §5.1 引言  88
  §5.2 分叉煤层上保护层开采的工程概况  88-90
    5.2.1 矿井地质概况  88-89
    5.2.2 矿井开采概况  89-90
  §5.3 保护层开采底板煤岩的力学分析  90-93
  §5.4 分叉煤岩层的物理力学特性研究  93-97
    5.4.1 顶底板取样加工规格及精度要求  93
    5.4.2 试块的密度测定试验  93-95
    5.4.3 试样压缩变形试验  95-96
    5.4.4 试样抗拉强度试验  96-97
  §5.5 分叉煤层上保护层开采数值模拟  97-121
    5.5.1 数值模型的建立及参数选择  99-101
    5.5.2 分叉煤层上保护开采的应力、位移变化规律研究  101-106
    5.5.3 不同分叉角度的应力、应变(位移)变化规律研究  106-121
  §5.6 本章小结  121-123
第六章上保护层开采分叉煤层保护效果特性研究  123-134
  §6.1 引言  123
  §6.2 保护层开采效果评价及评价指标  123-124
  §6.3 分叉煤层上保护层开采保护范围研究  124-129
    6.3.1 沿垂直方向的保护范围  126-127
    6.3.2 沿倾斜方向的保护范围  127-128
    6.3.3 沿走向方向的保护范围的确定  128-129
  §6.4 分叉煤层上保护层开采卸压效果  129-132
    6.4.1 分叉煤岩瓦斯压力特性  129-130
    6.4.2 分叉煤层煤岩内的物理力学特性  130
    6.4.3 煤层瓦斯含量及煤层透气性系数  130-132
  §6.5 本章小结  132-134
第七章结论与展望  134-136
  §7.1 结论  134-135
  §7.2 展望  135-136
致谢  136-137
参考文献  137-141

分叉突出煤层上保护层开采保护特性研究

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