采场下伏煤岩体卸压作用原理及在被保护层卸压瓦斯抽采中的应用

论文摘要

在工作面采动作用影响下,采场围岩应力重新分布,这对下伏煤岩体内突出煤层的瓦斯治理可以起到积极的作用。本文利用弹性力学、岩体力学、损伤力学和渗流力学等相关理论,通过理论分析、相似模拟试验、数值模拟和现场试验等研究手段,系统研究上保护层开采后下伏煤岩体的卸压特征、移动变形、裂隙发育、渗流特征、下被保护层瓦斯流动规律及煤层卸压瓦斯抽采方法,其研究成果对煤与瓦斯突出矿井安全生产及煤矿的可持续发展具有重要的意义。本文建立了采场下伏煤岩体的应力变化力学理论模型,结合数值模拟试验方法,获得了采场下伏煤岩体的应力变化及分布规律。沿工作面走向,下伏煤岩体经历原始应力区、支撑应力区、应力降低区和应力逐渐恢复区。工作面两侧煤柱及下方一定范围的煤岩体处于支撑应力区,支撑应力的集中系数随层间距的加大逐渐减小,但影响范围逐渐向两侧扩大。工作面后部一定范围的采空区下伏煤岩体处于卸压状态,随着层间距的加大卸压程度越来越小,有效卸压区域也逐渐减小。随着工作面向前推进和采空区后部顶底板岩层移动的稳定,下伏煤岩体内的应力也相应逐渐恢复。文章同时获得了下伏煤岩体的移动变形规律及裂隙发育特征,并得出了下被保护煤层变形特征及渗透性演化规律。煤柱下方岩层在支撑应力作用下整体呈下沉状态,采空区下部岩层整体呈倾斜向上移动状态。随着层间距的加大,煤岩层变形量逐渐减小。本文将上保护层采动作用影响的下伏煤岩体分为底鼓裂隙带和底鼓变形带。底鼓裂隙带下限为15～25m,该带内裂隙发育充分,顺层裂隙与穿层裂隙构成瓦斯运移的网络通道,底鼓变形带下限为50～60m,该带内以顺层裂隙为主。随着保护层的开采,下被保护层先经历压缩变形,而后发生膨胀变形。煤层的透气性变化规律为:原始值→小幅下降→大幅增加→稳定→后期下降。结合下伏煤岩体的裂隙分带特征,文章分析了下被保护层的瓦斯流动及汇集特征,并获得了下被保护层的卸压瓦斯抽采方法及相关技术参数,下被保护层卸压瓦斯抽采以底板岩巷网格式上向穿层钻孔的抽采方式为主。通过对沈阳红菱煤矿和淮南谢一煤矿进行上保护层开采现场试验,有效降低了下被保护层的瓦斯含量,彻底消除了突出煤层的危险性,实现了突出煤层的安全高效开采。根据考察结果,沈阳红菱煤矿下被保护层12煤层变形稳定后的膨胀变形量为7.2‰,煤层透气性系数增加了1010倍,保护范围内下被保护层瓦斯抽采率达77.5%,煤层瓦斯压力由7MPa降为0.35MPa,瓦斯含量由22.5m3/t降为5.06m3/t。淮南谢一煤矿下被保护层C13煤层变形稳定后的相对膨胀变形为4.00‰,煤层瓦斯抽排率达68%,煤层瓦斯压力由4.5MPa降为0.5MPa,瓦斯含量由16.5m3/t降为4.3m3/t。另外,根据现场试验考察验证,认为理论分析、相似材料模拟及数值模拟等方法得出的结论是可靠、合理的。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题目的及其意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 采场下伏煤岩体应力分布及裂隙发育研究现状
• 1.2.2 采场下伏煤岩体渗流研究现状
• 1.2.3 保护层开采及卸压瓦斯抽采技术研究现状
• 1.3 拟订研究的主要内容、技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 采场下伏煤岩体卸压理论分析及裂隙分带研究
• 2.1 概述
• 2.2 采场下伏煤岩体应力分布理论分析
• 2.2.1 岩体的原始应力状态
• 2.2.2 保护层采空区下伏煤岩体卸压理论分析
• 2.3 采空区底鼓量理论计算
• 2.4 采场下伏煤岩体裂隙发育规律及分带研究
• 2.5 采场下伏煤岩体渗透系数及下被保护层的透气性系数变化规律
• 2.5.1 采场下伏煤岩体渗透系数与应力的关系
• 2.5.2 下被保护层透气性系数演化规律
• 2.6 本章小结
• 3 采场下伏煤岩体移动相似材料模拟试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 相似材料模拟试验理论基础
• 3.2.1 相似三定律
• 3.2.2 相似材料模型试验的相似指标
• 3.3 模型试验台及试验测试系统
• 3.3.1 相似材料模拟试验台
• 3.3.2 模拟试验研究内容及试验测试系统
• 3.4 试验原型及模型铺设
• 3.4.1 试验原型
• 3.4.2 相似材料模型设计及铺设
• 3.5 试验结果分析
• 3.5.1 石蜡板的熔化及流出情况
• 3.5.2 岩层移动及被保护层煤层变形测量
• 3.5.3 采场下伏煤岩体透气性测量
• 3.6 本章小结
• 4 采场下伏煤岩体卸压及移动数值模拟试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 理论基础
• 4.3 模型建立
• 4.3.1 数值模拟试验原型地质条件
• 4.3.2 模型尺寸及边界条件
• 4.3.3 网络离散及力学参数的选择
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 保护层开采下伏煤岩体应力变化规律分析
• 4.4.2 保护层开采过程中下伏煤岩体移动变形规律分析
• 4.4.3 沈阳红菱煤矿下被保护层卸压及岩层移动变形规律分析
• 4.4.4 不同保护层开采厚度对下伏煤岩体卸压影响分析
• 4.4.5 层间坚硬岩层对采场下伏煤岩体卸压的影响分析
• 4.5 本章小结
• 5 煤层瓦斯流动及下被保护层瓦斯抽采研究
• 5.1 概述
• 5.2 煤层瓦斯赋存及卸压瓦斯流动规律研究
• 5.2.1 煤层瓦斯赋存特征
• 5.2.2 煤层瓦斯流动数学模型
• 5.2.3 下被保护层卸压瓦斯流动及汇集特征
• 5.3 下被保护层卸压瓦斯抽采研究
• 5.3.1 被保护层卸压瓦斯抽采作用
• 5.3.2 下被保护层卸压瓦斯抽采方法
• 5.3.3 穿层钻孔有效抽采半径及阻力效应分析
• 5.3.4 被保护层卸压瓦斯抽采规律研究
• 5.4 上保护层开采及瓦斯抽采技术研究
• 5.4.1 保护层选择及开采
• 5.4.2 保护层工作面瓦斯涌出规律
• 5.4.3 保护层工作面的瓦斯抽采技术
• 5.5 本章小结
• 6 上保护层开采现场试验研究及结果对比分析
• 6.1 沈阳矿区红菱煤矿上保护层开采及瓦斯抽采试验研究
• 6.1.1 红菱煤矿及现场试验区概况
• 6.1.2 被保护层卸压瓦斯抽采设计及施工
• 6.1.3 极薄煤层保护层开采及瓦斯抽采
• 6.1.4 被保护层效果考察方案及瓦斯抽采效果分析
• 6.1.5 消除突出危险性认证
• 6.2 淮南矿区谢一煤矿上保护层开采及瓦斯抽采试验研究
• 6.2.1 谢一煤矿及试验区概况
• 6.2.2 保护层开采瓦斯抽采技术方案
• 6.2.3 被保护层效果考察及瓦斯抽采效果分析
• 6.2.4 下被保护层消除突出危险性认证结果
• 6.3 试验结果对比分析
• 6.3.1 采场下伏煤岩体卸压特征对比分析
• 6.3.2 下被保护层移动变形对比分析
• 6.3.3 下被保护层透气性系数变化对比分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集