低透气性煤层群首采关键层卸压瓦斯综合治理技术

论文摘要

在煤与瓦斯突出灾害日趋严重的深部煤炭资源开采中,以低透气性煤层群条件最为复杂。我国《防治煤与瓦斯突出规定》第四十六条中做出明确规定：在突出矿井煤层群开采时优先考虑开采保护层；有条件的矿井,也可将软岩层作为保护层开采。由此可见利用煤层群首采层开采的卸压作用,消除邻近煤层的突出危险性是行之有效的区域性防突措施。但关键层开采过程中,除开采煤层的瓦斯涌出之外,邻近煤层大量的采动卸压瓦斯向开采空间涌出,易造成开采空间瓦斯积聚,给矿井的生产带来了安全隐患。因此,为实现高瓦斯煤层群首采煤层工作面的安全回采,必须确定高浓度瓦斯富集区域,进行邻近煤层卸压瓦斯强化高效抽采。本文分析了影响钻孔抽采瓦斯因素,确定钻孔位置的布置对瓦斯抽采效果具有制约性作用；同时,在分析卸压瓦斯运移规律的基础上,初步探寻了邻近层卸压瓦斯运移路径。通过理论研究、数值模拟以及工程实践考察相结合的方法,主要研究以下三个方面：(1)关键层回采上覆岩层卸压区域数值模拟依据现有的上覆岩层移动理论,提出采空区上覆岩层“O”形圈呈锥形分布,运用FLAC3D软件模拟分析关键层工作面回采过程中上覆岩层卸压区域,确定“O”形圈环形区域范围,为布置裂隙带钻孔设计参数提供理论指导依据。(2)瓦斯流动规律分析了Y型通风和U型通风工作面采空区瓦斯以及回采期间邻近层卸压瓦斯流动规律,确定可将卸压瓦斯运移路径简化为：被保护层→裂隙带→采空区→回风巷,为卸压瓦斯的治理提供明确的方向。(3)关键层工作面卸压瓦斯综合治理技术实践对关键层工作面卸压瓦斯治理技术的两个实例进行了分析：实例一,在潘一矿2371(1)工作面作为13煤下保护层开采,在理论分析以及数值模拟的基础上,设计该工作面瓦斯综合治理方案,考察并分析了工作面回采期间回风瓦斯浓度以及各类钻孔抽采瓦斯纯量的变化情况,同时分析了采空区埋管抽采和回风瓦斯浓度之间的关系,提出可采用监测的采空区埋管抽采瓦斯纯量作为预警值；实例二,在新庄孜煤矿66210工作面实施被保护层、裂隙带、采空区以及回风巷“四位”瓦斯综合治理措施,分析了“四位”瓦斯分布情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 附表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 中国煤矿瓦斯抽采历程
• 1.2.2 中国煤矿区地面钻井原始煤层气开发现状
• 1.2.3 中国煤矿瓦斯强化抽采技术现状
• 1.2.4 国外煤矿瓦斯抽采现状
• 1.2.5 存在的问题及对策
• 1.3 瓦斯抽采影响因素分析
• 1.3.1 钻孔直径
• 1.3.2 抽采负压
• 1.3.3 钻孔位置
• 1.4 研究内容及路线
• 第二章 关键层回采卸压增透基本理论
• 2.1 有关采场上覆岩层移动规律的假说
• 2.1.1 压力拱学说
• 2.1.2 悬臂梁学说
• 2.1.3 铰接岩块学说
• 2.1.4 预成裂隙学说
• 2.1.5 砌体梁结构假说
• 2.1.6 关键层理论
• 2.2 卸荷岩体的变形破坏特征
• 2.3 采场上覆岩层移动规律
• 2.3.1 采场覆岩移动破坏的分带
• 2.3.2 岩层移动中的离层与裂隙分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 高浓度瓦斯富集区域的确定
• 3.1 瓦斯运移基本条件
• 3.2 瓦斯运移规律
• 3.2.1 采空区瓦斯运移规律
• 3.2.2 邻近层瓦斯运移规律
• 3.3 卸压瓦斯渗透率
• 3.3.1 叠加层渗透率理论计算分析
• 3.3.2 压力对瓦斯渗流速度的影响
• 3.4 卸压瓦斯储集与围岩裂隙演化关系
• 3.5 小结
• 第四章 关键层回采上覆岩层卸压区域模拟研究
• 4.1 FLAC 3D简介
• 4.1.1 计算基本原理
• 4.1.2 本构模型
• 4.1.3 求解过程
• 4.1.4 求解步骤
• 4.2 潘一煤矿煤层群赋存特征
• 4.3 模型的建立
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 模型的基本参数
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 采动覆岩应力及位移变化规律分析
• 4.4.2 采动覆岩卸压区形态分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 工程实践
• 5.1 实例一：2371（1）工作面卸压瓦斯综合治理
• 5.1.1 试验区工作面概况
• 5.1.2 工作面瓦斯预测
• 5.1.3 强化抽采瓦斯技术
• 5.1.4 卸压瓦斯综合治理效果分析
• 5.1.5 小结
• 5.2 实例二：66210工作面卸压瓦斯综合治理
• 5.2.1 实验区概况
• 5.2.2 卸压瓦斯综合治理技术
• 5.2.3 卸压瓦斯综合治理效果分析
• 5.2.4 四位瓦斯分布情况
• 5.2.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果