煤层采场力学行为演化特征及瓦斯治理技术研究

论文摘要

瓦斯是煤矿安全生产的主要灾害源，开采保护层是高瓦斯突出煤层群区域瓦斯治理最有效的技术，但保护层开采过程中采场力学行为演化特征及其对瓦斯三维流动影响机制缺乏系统的理论研究，尤其是薄上保护层采高小、通风排放瓦斯能力差、卸压范围小，区域瓦斯治理盲目性大。该论文采用理论分析、数值模拟和现场测试相结合的研究方法，以三向应力对瓦斯三维流动及突出危险性的影响机制为基础，以薄上保护层为研究对象，以采场三向应力场时空演化规律为主线，建立了采场空间分布模型，构建了煤层群安全高效开采模式，破解了近距离煤层群卸压瓦斯治理难和远距离煤层群卸压难等技术难题。主要创新成果如下：统计分析了原岩应力分布特征，指出最大和最小应力倾向于沿水平方向，中间应力倾向于沿纵向，且最大应力为最小应力2倍以上；发现了最大应力方向是控制煤层巷道掘进突出危险性的关键因素，将防治煤与瓦斯突出理念推至新的高度。研究发现：在同一应力场下，当巷道沿垂直于最大应力方向掘进时，掘进头前方产生显著的应力集中，突出危险性较大；而当巷道沿最大应力方向掘进时，掘进头前方无应力集中，突出危险性较小。同时发现，煤层强度差异是导致局部应力集中的关键因素，当巷道从一种强度的煤体掘向另一种强度的煤体时，不论巷道沿何种方向掘进，突出危险性都较大。通过分析采场围岩破坏特征，建立了适用于峰前阶段的“应力-裂隙-渗透率”本构模型，并采用数值模拟和现场试验相验证的方法，研究了采场三向应力分布及其对瓦斯三维流动的控制作用，同时研究得出了超前支撑压力、卸压角、“O”形圈等随煤层开采的时空演化机制，在此基础上提出了下覆围岩“三带五区”划分和采场“四层空间”分布模型，最终首次从力学角度进行远近距离煤层群划分。现场测试了近距离煤层群薄上保护层采场瓦斯流动富集规律，验证了采场划分理论模型的正确性，并针对其特点发明了采动区强扰动瓦斯抽采钻孔护孔技术和“三位立体”分源瓦斯治理技术，提高了钻孔抗采动破坏能力，实现了区域瓦斯分源协同抽采，防治瓦斯超限。开创了基于最大应力方向的区域防突设计新方法，并得到现场试验的验证。根据最大应力方向对煤巷突出危险性的控制机理，通过将突出煤巷沿平行于最大应力方向布置，避免掘进头应力集中，降低突出危险性，该技术为除开采保护层和区域瓦斯预抽之外的另一种新的区域瓦斯治理技术。主要研究成果体现在以第一作者发表学术论文11篇，其中被SCI收录3篇，EI收录5篇，ISTP收录1篇，授权发明专利12项，主体内容获得陕西省、中国煤炭工业协会等科技进步一等奖6项。研究结果为高瓦斯煤层群保护层开采区域瓦斯治理奠定了重要理论和技术基础，对今后矿井瓦斯治理和防突设计有着重要的理论意义和现实价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Extended Abstract
• 目录
• 图清单
• 表清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 存在的主要问题
• 1.4 主要研究内容及思路
• 1.5 主要进展
• 2 原岩应力分布特征及对煤与瓦斯突出的影响
• 2.1 原岩应力简介
• 2.2 原岩应力分布特征
• 2.3 应力-渗透率关系
• 2.4 应力方向对煤巷掘进突出危险性影响的研究方法
• 2.5 最大应力方向与巷道围岩破坏区的关系
• 2.6 最大应力方向对巷道掘进头的超前影响
• 2.7 三向应力和循环进尺长度对巷道突出危险性的影响
• 2.8 煤层强度突变对煤巷突出危险性的影响
• 2.9 三向应力分布特征对煤与瓦斯突出的影响
• 2.10 小结
• 3 煤层采动卸压增透时空演化规律
• 3.1 研究方法
• 3.2 采高对卸压范围的影响
• 3.3 采场时空演化规律
• 3.4 采场应力空间分布规律
• 3.5 采场空间划分及在瓦斯治理中的应用
• 3.6 远近距离煤层群划分及主要问题
• 3.7 小结
• 4 近距离上保护层瓦斯流动富集规律及治理
• 4.1 试验地点概况
• 4.2 卸压效果测试及存在的问题
• 4.3 初采期间层间距对瓦斯涌出的影响
• 4.4 卸压瓦斯流动富集规律
• 4.5 卸压瓦斯综合治理技术
• 4.6 强扰动大剪切条件下钻孔护孔技术
• 4.7 小结
• 5 基于最大应力方向分布特征的区域防突技术
• 5.1 工作面地质及动力现象概述
• 5.2 工作面最大应力方向判断
• 5.3 现场试验方案
• 5.4 突出危险性现场预测结果
• 5.5 保护层间距对卸压防突影响
• 5.6 基于原岩应力特征的区域防突设计
• 5.7 高瓦斯煤层群区域卸压及瓦斯治理模式
• 5.8 小结
• 6 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集