煤矿深部近距低采高上保护层开采瓦斯灾害协同控制技术

论文摘要

本文针对中平能化集团平煤股份所属十二矿深部(埋深≥1000m)近距离(8～12m)、低采高(1.3m)和高瓦斯耦合作用下的上保护层瓦斯治理问题,以及上保护层开采巷道留设的保护煤柱造成的被保护层卸压空白带问题,利用弹性力学、岩体力学、损伤力学、渗流力学等相关理论,通过采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟、现场试验等方法,系统地研究了煤矿深部近距低采高上保护层开采瓦斯灾害协同控制技术,取得了如下主要创新性成果:针对深部近距低采高上保护层开采面临的保护层工作面上隅角瓦斯超限和被保护层局部区域未卸压等问题,提出了大直径穿层递进埋管抽采和下被保护层局部未保护区域的定向水力压裂技术来协同控制瓦斯灾害的研究思路。实现了保护层工作面的安全快速推进和被保护层的全区域消突,为今后其他类似条件下的煤层群开采提供了治理思路。采用实验和数值模拟相结合的方法,首次研究了不同保护层开采高度、不同层间距、不同层间岩性对深部近距低采高上保护层开采条件下下伏煤岩体卸压影响。研究发现了保护层工作面开采高度越大,对被保护层的卸压保护效果越好;随着层间距离的增加,保护层的卸压效果越来越差;而由于层间坚硬岩层的控制,其存在不利于下方煤岩体的应力降低,且还遏制了下方岩体的膨胀变形,不利于下被保护层透气性的增加。首次提出了大直径穿层递进埋管抽采技术,既克服了采用传统的沿空留巷等措施造成的施工量大和维护困难问题,又避免了在本煤层采空区埋管抽放造成的巷道空间受限问题,在不影响保护层工作面开采的条件下,创造性的解决了深部近距低采高上保护层开采工作面上隅角瓦斯频繁超限问题。实践表明,该技术实施效果显著,抽放瓦斯纯量达到29.1~35.3m3/min,抽放瓦斯浓度平均为13.7%,上隅角瓦斯浓度平均维持在0.51%。针对平煤十二矿被保护层与保护层层间距小、存在被保护层局部区域未卸压、地应力相对集中区域的特点,提出采用定向水力压裂技术消除局部未保护区域的突出危险性,同时采用定向孔的导向作用,避免了单一水力压裂孔易造成应力集中、形成高压蓄能区的问题。采取该技术后突出判定指标q值和S值显著降低(q值降为1.0 L/min左右;S值降为2.0 kg/m左右),工作面危险性效检预测指标超标的比例大大减低,变化幅度降低;单孔抽放浓度平均增加了70%,瓦斯流量增加了382%。本文为煤矿深部近距低采高上保护层开采条件下瓦斯灾害的有效控制提供了理论和实践基础,课题研究期间,作者公开发表学术论文7篇,其中EI检索2篇,并获得各类科研奖励6项。该论文有图105幅,表10个,参考文献109篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图清单
• 表清单
• 变量注释表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 主要研究内容及目标
• 1.5 研究总体思路
• 1.6 研究工作及进展
• 2 深部近距低采高上保护层开采煤岩体动力学演化特征试验
• 2.1 概述
• 2.2 试验设计
• 2.3 下伏煤岩体动力学演化特征
• 2.4 上覆岩层动力学演化特征
• 2.5 本章小结
• 3 深部近距低采高上保护层开采煤岩体动力学演化及其控制因素数值模拟试验
• 3.1 煤岩体材料本构关系的建立
• 3.2 数值模型设计
• 3.3 下伏煤岩体动力学演化及影响因素
• 3.4 被保护层卸压及岩层移动变形规律分析
• 3.5 本章小结
• 4 深部近距低采高上保护层卸压瓦斯大直径穿层递进埋管抽采技术
• 4.1 大直径穿层递进埋管抽采技术的提出
• 4.2 施工技术参数数值分析
• 4.3 穿层递进埋管技术实施方案
• 4.4 现场工业性试验效果分析
• 4.5 本章小结
• 5 深部近距被保护层开采局部未保护区域水力压裂防突措施
• 5.1 概述
• 5.2 本煤层定向水力压力分析
• 5.3 定向水力压裂技术现场工程应用
• 5.4 定向水力压裂综合效果分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 一、基本情况
• 二、学术论文
• 三、获奖情况
• 四、研究项目
• 学位论文数据集