煤层气卸压开采的采动岩体力学分析与应用研究

论文摘要

我国经济的高速发展引起资源紧张、矿区环境恶化与资源浪费等诸多采矿工业问题,煤与卸压煤层气共采的思想由此孕育而生。本文针对高瓦斯、低渗透性松软煤层的赋存条件,综合运用实验研究、理论分析、物理模拟、数值模拟等手段,系统研究了卸压开采上覆煤岩渗透特性、煤层变形与瓦斯运移耦合的作用机制、采动裂隙的动态演化、采动应力变化及瓦斯渗流规律等,提出了煤层气卸压开采的基本原理和方法,并将其卸压开采原理成功运用到工程实践中,研究结果为煤与卸压煤层气共采提供了理论依据。其主要创新体现在如下五个方面:(1)利用自行设计的气体渗透测试系统,测定了破裂煤岩样的气体渗透率,给出了气体渗透率与煤岩样埋深的关系,研究了加卸围压对破裂煤岩样气体渗透性的影响。(2)建立了煤层变形与瓦斯运移耦合的动力学模型,该模型考虑了煤层变形场、应力场与瓦斯气体在孔隙内吸附、解吸、扩散和渗流过程的流固耦合作用机制。研究了煤层瓦斯渗流的非Darcy流特点,并引入了非Darcy流β因子和加速度系数两个参量,有效地揭示了煤层瓦斯运移规律的客观本质。(3)综合运用数值模拟和物理模拟手段,分析了关键层影响下采动裂隙的动态演化及被卸压煤层的变形规律;采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D的煤岩损伤—气体渗流耦合分析功能,研究得到了卸压开采后被卸压煤层的应力场、位移场与渗流场分布特征,并分析了被卸压煤层瓦斯参数及渗透性系数的变化规律。(4)研究提出了沿空留巷首采卸压层采空侧顶板存在三个裂隙发育富含瓦斯区:留巷上部采空区环型空隙区、裂隙带内的竖向裂隙发育区、远程卸压煤层裂隙发育区,为卸压煤层气抽采钻井(孔)的布置提供了理论依据。(5)首次提出了留巷顶板斜上向穿层钻孔抽采被卸压煤层及本层采空区内卸压煤层气的理念,创立了留巷钻孔法替代多岩巷抽采卸压煤层气的方法,并设计出卸压煤层气抽采钻井(孔)的布置方案。运用煤层气卸压抽采原理,成功地在淮南矿区顾桥矿实施了地面钻井和留巷钻孔法抽采卸压煤层气的工程实践,初步建立了适合淮南矿区的卸压煤层气抽采模式。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义（RESEARCH BACKGROUND AND SIGNIFICANCE）
• 1.1.1 选题背景（Research Background）
• 1.1.2 选题意义（RESEARCH SIGNIFICANCE）
• 1.2 国内外研究概况（RESEARCH DEVELOPMENT）
• 1.2.1 保护层卸压开采的机理与实践（Mechanism of relieving miming for protective layer and its Practice）
• 1.2.2 岩层控制的关键层理论（Key Strata Theory in Strata Control）
• 1.2.3 采动岩体渗流理论（Seepage Theory in Mining Rock）
• 1.2.4 卸压煤层气抽采的研究现状（Relieved Methane Research State ）
• 1.3 主要研究内容与创新（MAIN RESEARCH CONTENTS AND INNOVATION）
• 1.3.1 主要研究内容（Main Research Contents）
• 1.3.2 研究思路与创新（Research Thought and Innovation）
• 2 峰后岩石气体渗透性试验
• 2.1 峰后破裂煤岩体的渗透性试验（SEEPAGE EXPERIMENT FOR UNCONFINED POST-PEAK ROCK）
• 2.1.1 试验系统（Testing system）
• 2.1.2 岩样制备（Preparation of rock samples）
• 2.1.3 试验方法（Testing method）
• 2.1.4 试验结果分析（Analysis of test results）
• 2.2 峰后卸围压及增围压岩石的渗透性试验（SEEPAGE EXPERIMENT FOR POST-PEAK ROCK WITH STRESS-RELIEF AND STRESS-ACTION）
• 2.2.1 试验系统（Testing system）
• 2.2.2 岩样制备（Preparation of rock samples）
• 2.2.3 试验方法（Testing method）
• 2.2.4 试验结果分析（Analysis of test results）
• 2.3 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 3 煤层瓦斯运移的耦合动力学模型
• 3.1 概述（INTRODUCTION）
• 3.2 卸压开采煤层变形与瓦斯运移特征（PROPERTIES OF COAL SEAM DEFORMATION AND GAS MIGRATION IN STRESS-RELIEF MINING）
• 3.3 煤层变形与瓦斯运移的基本规律（BASIC RULES OF COAL SEAM DEFORMATION AND GAS MIGRATION）
• 3.3.1 卸压煤层的变形场（Determination of coal seam deformation field ）
• 3.3.2 瓦斯运移的基本形式（Basic for of gas migration）
• 3.4 煤体变形与瓦斯运移的耦合作用（COUPLING EFFECT OF COAL SEAM DEFORMATION AND GAS MIGRATION）
• 3.4.1 煤体变形与瓦斯运移的耦合（Coupling effect of coal seam deformation and gas migration）
• 3.4.2 瓦斯解吸、扩散和渗流的耦合（Coupling effect of gas desorption,diffusion, and seepage）
• 3.5 煤层变形与瓦斯运移耦合的动力学模型（DYNAMIC MODEL OF COAL SEAM DEFORMATION AND GAS MIGRATION）
• 3.6 本章小结（SUMMARY）
• 4 卸压煤层采动裂隙演化的物理模拟
• 4.1 相似原理及相似系数（SIMILAR PRINCIPLE AND SIMILAR RATIOS）
• 4.2 试验模型及试验方案（SIMILAR MATERIAL MODEL AND TESTING SCHEME ）
• 4.3 无主关键层条件的试验结果分析（TESTING RESULTS ANALYSIS ON CRACKS DEVELOPMENT WITHOUT MAIN KEY STRATA）
• 4.4 被卸压煤层在主关键层上方的试验结果分析（TESTING RESULTS ANALYSIS OF THE CRACK DEVELOPMENT IN THE PROTECTED COAL SEAM ABOVE THE MAIN KEY STRATA）
• 4.5 本章小结（BRIEF SUMMARY）
• 5 卸压煤层裂隙演化及瓦斯运移规律数值模拟
• 2D-FLOW (NUMERICAL SIMULATION SOFTWARE RFPA^2D-FLOW)'>5.1 数值模拟软件RFPA^2D-FLOW (NUMERICAL SIMULATION SOFTWARE RFPA^2D-FLOW)
• 5.1.1 煤岩破裂过程固气耦合方程（Coupling equation of gas-solids in the coal rock failure process）
• 5.1.2 固气耦合模型数值解法及分析过程（Numerical solution of Coupling model of gas-solids and its analsys）
• 5.2 数值模拟模型建立（NUMERICAL MODEL）
• 5.3 无关键层结构的数值模拟结果分析（NUMERICAL RESULTS ANALYSIS WITHOUT MAIN KEY STRATA）
• 5.3.1 采动覆岩破断及裂隙分布特征（Overlaying Strata Collapse and Cracks Distribution Characteristic in mining）
• 5.3.2 被卸压煤层采动应力及位移分布（Stress and displacement distribution of the protected coal seam）
• 5.3.3 被卸压煤层瓦斯运移规律（Gas migration law in protected coal seam ）
• 5.4 有关键层结构的数值模拟结果分析（NUMERICAL RESULTS ANALYSIS WITH MAIN KEY STRATA）
• 5.4.1 采动覆岩破断及裂隙分布特征（Overlaying Strata Collapse and Cracks Distribution Characteristic in mining）
• 5.4.2 被卸压煤层采动应力及位移分布（Stress and displacement distribution of the protected coal seam）
• 5.4.3 被卸压煤层瓦斯运移规律（Gas migration law in protected coal seam ）
• 5.5 本章小结（SUMMARY）
• 6 煤层气卸压抽采原理与方法
• 6.1 卸压开采覆岩变形及分布特征（DEFORMATION MECHANICS OF OVERLYING STRATA IN PRESSURE-RELIEF MINING AND ITS DISTRIBUTION ）
• 6.1.1 覆岩三带特征（Characteristics of three zones in overlying strata）
• 6.1.2 卸压煤层变形的基本特征（Deformation characteristics of the pressure-relief coal seam ）
• 6.2 煤层气卸压开采的基本原理（PRINCIPLE FOR PRESSURE-RELIEF MINING OF COAL BED METHANE）
• 6.2.1 采动裂隙分带（ Mining-induced fracture zoning）
• 6.2.2 顶板离层裂隙动态演化（Separation Cracks Dynamic Develop- ment of Roof rock）
• 6.2.3 采动应力分布（Stress distribution in coal mining）
• 6.2.4 煤层气卸压抽采原理（Principle for relieved drainage of coal bed methane ）
• 6.3 煤层气卸压抽采钻井（孔）布置方法（THE DRILLING ARRANGEMENT METHOD IN THE RELIEVED DRAINAGE OF COAL BED METHANE ）
• 6.3.1 地面抽采钻井布置方法（The drilling arrangement method in the ground drainage of coal bed methane）
• 6.3.2 留巷抽采钻孔布置方法（The drilling arrangement method in the underground roadway retained drainage of coal bed methane）
• 6.4 本章小节（SUMMARY）
• 7 煤层气卸压抽采技术的工程实践
• 7.1 采矿地质条件（MINING GEOLOGICAL CONDITIONS）
• 7.1.1 矿井概况（General situation of coal mine）
• 7.1.2 工作面概况（General situation of working face）
• 7.2 卸压煤层变形和渗流特征的数值分析（SIMULATION ON THE DEFORMATION AND SEEPAGE PROPERTIES OF PRESSURE-RELIEF COAL SEAM）
• 7.2.1 数值模拟模型（Numerical Model）
• 7.2.2 数值模拟结果分析（Numerical results analysis）
• 7.3 煤层气卸压抽采钻井（孔）的布置与设计（THE ARRANGEMENT AND DESIGN OF THE DRILLINGS IN THE RELIEVED DRAINAGE OF COAL BED METHANE）
• 7.3.1 煤层气卸压抽采地面钻井布置与设计（The arrangement and design of the drillings in the ground drainage of coal bed methane）
• 7.3.2 煤层气卸压留巷抽采钻孔布置与设计（The arrangement and design of the drillings in the underground roadway retained drainage of coal bed methane）
• 7.4 煤层气卸压抽采效果分析（EFFECT OF THE RELIEVED DRAINAGE OF COAL BED METHANE）
• 7.4.1 煤层气卸压地面钻井抽采效果分析（The effect of the ground drainage of coal bed methane）
• 7.4.2 煤层气卸压留巷钻孔抽采效果分析（The effect of the underground roadway retained drainage of coal bed methane）
• 7.5 煤层气卸压抽采效益分析（THE BENEFITS OF THE RELIEVED DRAINAGE OF COAL BED METHANE）
• 7.5.1 安全生产效益（The benefit of safe production）
• 7.5.2 技术经济效益（Technical economic benefits）
• 7.5.3 环境社会效益（Environmental social benefits）
• 7.6 本章小节（SUMMARY）
• 8 主要结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集