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立井掘进过程中的煤与瓦斯突出动力现象研究

作　者: 程建圣
导　师: 石必明
学　校: 安徽理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 煤(岩)与瓦斯动力现象尖点突变 RFPA 预测
分类号: TD713
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

煤(岩)与瓦斯突出是煤矿严重的自然灾害之一，且是一种复杂的动力现象，是地应力、煤层中的瓦斯压力和煤的结构力学性质综合作用的结果。立井掘进过程中，尤其是在穿越突出危险地层时，煤(岩)与瓦斯突出给煤矿生产建设带来阻碍。本文采用理论分析和现场实验相结合的方法对立井掘进过程中的煤与瓦斯突出动力现象进行了研究。在分析研究立井煤(岩)与瓦斯机理的基础上，根据煤(岩)与瓦斯突出发生的安全力学条件，构造新的突变势函数，进而应用突变理论对立井煤(岩)与瓦斯动力现象发生过程进行解释。利用尖点突变模型对突出的启动和终止进行系统定性分析，找出影响瓦斯突出的一些因素，从而为立井煤与瓦斯灾害预测与防治提供了新的理论依据。论文又以张北立井掘进工作面为研究对象，根据该立井的地质情况，运用岩石破断分析软件RFPA对立井掘进工作面附近的应力状况进行了定性分析，通过数值仿真模拟，得出了应力集中区域的范围；并应用RFPA软件对立井掘进煤与瓦斯突出过程进行模拟，再现了立井煤与瓦斯突出的全过程，为立井掘进工作面制定合理有效的煤(岩)与瓦斯防治措施提供了理论依据。在充分收集现场资料的基础上，结合实验测定的数据，对照煤与瓦斯突出指标对张北回风井掘进的重点穿越煤层煤与瓦斯突出进行了危险性分析和预测，为现场工作提供了较好的依据。研究成果对于指导相关矿井安全生产、减少立井掘进工作面煤(岩)与瓦斯突出动力现象造成的损失、提高矿井的总体效益具有相当的意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-24
  1．1 课题研究背景和意义  13
  1．2 课题国内外研究现状  13-21
    1．2．1 突出机理研究现状  14-18
    1．2．2 煤与瓦斯突出预测研究现状  18-21
  1．3 研究课题及其主要内容  21-24
    1．3．1 课题的提出  21-22
    1．3．2 课题的主要研究内容和思路  22-24
2 矿井概况及立井瓦斯突出动力现象发生原因与条件分析  24-41
  2．1 矿井概况  24-30
    2．1．1 井田位置与交通  24
    2．1．2 矿井地质特征  24-28
    2．1．3 张北矿回风井概况  28-30
  2．2 煤矿常见的动力现象  30-32
    2．2．1 动力现象分类  30-31
    2．2．2 煤与瓦斯突出及其发展过程  31-32
  2．3 影响瓦斯突出动力现象的主要因素  32-36
  2．4 瓦斯突出动力现象发生的主要条件及其作用  36-38
    2．4．1 发生突出的地应力条件及其作用  36-37
    2．4．2 发生突出的瓦斯条件及其作用  37-38
    2．4．3 发生突出的煤体结构条件  38
    2．4．4 发生突出的地质条件  38
    2．4．5 发生突出的外部条件  38
  2．5 立井瓦斯突出动力现象发生机理  38-40
  2．6 小结  40-41
3 利用突变理论分析立井煤与瓦斯突出  41-52
  3．1 概述  41
  3．2 突变理论的基本概况  41-51
    3．2．1 尖点突变形式  42-44
    3．2．2 尖点突变理论解决工程问题的一般方法  44-46
    3．2．3 立井煤与瓦斯发生突出的机制  46
    3．2．4 立井中煤与瓦斯突出发生的力学条件  46-47
    3．2．5 构造突变势函数  47-48
    3．2．6 利用突变理论对立井煤与瓦斯突出过程进行分析  48-51
  3．3 小结  51-52
4 立井掘进工作面瓦斯突出数值仿真模拟与分析  52-79
  4．1 数值仿真模拟基本原理  52-54
  4．2 RFPA~(2D)软件的构造与操作方法  54-57
    4．2．1 RFPA~(2D)软件的构造  54-55
    4．2．2 RFPA~(2D)软件的操作方法  55-57
  4．3 RFPA~(2D)软件工作原理  57-58
  4．4 RFPA~(2D)软件数值方法  58-60
  4．5 张北立井掘进工作面仿真数值模拟  60-79
    4．5．1 立井掘进工作面力学模型的建立  60
    4．5．2 模型尺寸及单元划分  60-61
    4．5．3 边界条件的确定  61
    4．5．4 本次仿真模拟的预期目的  61-62
    4．5．5 不同直径立井掘进工作面周围岩体应力分布仿真模拟及其结果分析  62-66
    4．5．6 同直径不同掘进深度工作面周围岩体应力分布仿真模拟及其结果分析  66-73
    4．5．7 立井掘进工作面煤(岩)与瓦斯突出仿真模拟及其结果分析  73-79
5 张北回风井掘进煤与瓦斯突出危险性分析与预测  79-90
  5．1 煤层瓦斯组分测定与分析  79-82
    5．1．1 煤样采取  79
    5．1．2 气样分析  79-80
    5．1．3 煤层瓦斯组分计算  80
    5．1．4 测定结果与分析  80-82
  5．2 煤与瓦斯突出指标及测定方法  82-86
    5．2．1 煤的瓦斯放散初速度指标及其测定方法  82-83
    5．2．2 煤的坚固性系数(f)及其测定方法  83-85
    5．2．3 各指标测定结果与分析  85-86
  5．3 煤层瓦斯压力及其测定与反演  86-89
    5．3．1 煤层瓦斯压力  86
    5．3．2 煤层瓦斯压力测定  86-87
    5．3．3 瓦斯含量  87-89
  5．4 小结  89-90
6 结论与展望  90-92
  6．1 主要结论  90-91
  6．2 展望  91-92
参考文献  92-94
致谢  94-95
作者简介  95

立井掘进过程中的煤与瓦斯突出动力现象研究

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