突出煤层密集钻孔瓦斯预抽实验室与数值试验研究

论文摘要

煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同作用下,破碎的煤和瓦斯由煤体或岩体内突然地向采掘空间抛出的异常动力现象,它是煤矿最严重的灾害之一,中国是世界上突出最严重的国家。密集钻孔预抽瓦斯技术是一种防止煤与瓦斯突出的措施,钻孔在煤层中所形成的应力分布、透气性规律和瓦斯的流动过程是极其复杂的问题,本文主要采用实验室试验和数值试验进行了系统研究,即采用平面应变模型,揭示密集钻孔的透气性、应力分布、塑性区和卸压区的范围、煤层瓦斯压力变化、预抽半径和钻孔瓦斯流量等问题。研究这些问题,对人们进一步认识密集钻孔预抽瓦斯的机理和合理的布置钻孔具有重要的理论意义和工程实用价值。实验室试验得出,在不同的加载应力条件下,不论是在卸压区还是未卸压区,气体流过模型材料都符合达西定律。并用达西定律进行了密集钻孔模型的透气性规律的考察,得出在钻孔卸压区内外,透气系数与载应力的变化规律和透气系数的分布规律,在卸压区内,透气系数随着加载应力的增加而增大,在卸压区外,透气系数随着加载应力的增加而减小。实验室试验所得的卸压区范围与数值试验所得结果进行对比表明,两者较为接近。用ANSYS有限元软件,考察在静水压力条件下,煤层埋藏深度、钻孔直径、钻孔间距、内聚力和内摩擦角等因素的变化,密集钻孔的应力分布和产生的塑性区和卸压区的范围。得出在钻孔附近切向应力最大,径向应力最小。塑性区和卸压区范围随着煤层埋藏深度、钻孔的直径的增大而增加,随着内聚力和内摩擦角的增加而减小,塑性区范围随着钻孔间距的增加而减小。应用固气耦合RFPA2D-Gas数值试验系统,以煤岩-瓦斯固气耦合理论为基础,建立数值试验模型,将密集钻孔预抽瓦斯简化为平面问题,并选取合理的边界条件,为解决预抽煤层瓦斯更为接近实际。研究在透气系数、钻孔间距、钻孔直径、瓦斯含量系数和预抽时间等因素的变化,用密集钻孔预抽瓦斯,煤层瓦斯压力变化、预抽半径和钻孔瓦斯流量的变化规律,得出透气系数、钻孔直径越大,钻孔间距和瓦斯含量系数越小,煤层瓦斯压力下降幅度越大,抽采半径越大;达到消除煤层突出危险的瓦斯压力值所需要抽采的时间越短;随着钻孔预抽时间的延长,瓦斯压力下降范围将扩大,抽采半径增加。透气系数、瓦斯含量系数和钻孔直径越大,钻孔间距越小,钻孔瓦斯流量就越大,反之越小。钻孔瓦斯流量的衰减规律遵循负指数规律。最后,应用RFPA2D-Gas数值试验系统,结合芙蓉矿务局白皎煤矿用穿层钻孔预抽瓦斯和郑州煤业集团大平煤矿用顺层钻孔预抽瓦斯实例进行瓦斯预抽数值模拟对比分析,得出数值模拟的瓦斯压力降低值和瓦斯抽出量与现场实际较为吻合。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 煤与瓦斯突出概述
• 1.2 论文研究的背景及其意义
• 1.2.1 煤炭工业现状和地位
• 1.2.2 煤炭安全生产状况
• 1.2.3 论文研究的意义
• 1.3 国内外瓦斯抽采研究现状
• 1.3.1 国外瓦斯抽采现状
• 1.3.2 国内瓦斯抽采现状
• 1.3.3 瓦斯抽采技术的研究
• 1.3.4 我国瓦斯抽采存在的问题和发展趋势
• 1.4 论文研究的内容和方法
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线与研究方法
• 2 煤层瓦斯流动基础
• 2.1 概述
• 2.2 煤的物理结构
• 2.2.1 煤岩的宏观结构
• 2.2.2 煤的孔隙特征
• 2.3 煤层瓦斯的赋存
• 2.3.1 煤中瓦斯的赋存状态
• 2.3.2 煤的瓦斯含量
• 2.4 煤层瓦斯流动
• 2.4.1 煤层瓦斯流场分类
• 2.4.2 煤层瓦斯的运动规律
• 2.4.3 煤层的透气系数
• 2.5 本章小结
• 3 密集钻孔透气性场的模型试验
• 3.1 概述
• 3.2 模型材料及模型设备
• 3.2.1 模型材料选择
• 3.2.2 模型试验设备和仪器
• 3.3 测试原理及试验方案
• 3.3.1 制作模型
• 3.3.2 测试原理
• 3.3.3 试验方案
• 3.4 气体在模型中的流动试验
• 3.4.1 试验过程和数据
• 3.4.2 试验数据回归分析
• 3.5 透气系数与加载应力的关系试验
• 3.5.1 试验过程和数据
• 3.5.2 试验结果和分析
• 3.5.3 试验数据的回归分析
• 3.6 钻孔水平方向上测点的透气系数分布
• 3.6.1 透气系数分布
• 3.6.2 结果分析
• 3.7 模型试验的塑性区和卸压区的数值模拟
• 3.7.1 第一试验方案的数值试验
• 3.7.2 第二试验方案的数值试验
• 3.8 本章小结
• 4 密集钻孔周围应力场数值试验
• 4.1 概述
• 4.2 岩体的初始应力场
• 4.2.1 初始应力场的概念
• 4.2.2 自重应力场
• 4.2.3 构造应力场
• 4.3 单钻孔的弹塑性分析
• 4.3.1 钻孔周围煤岩的弹性应力分布
• 4.3.2 钻孔周围煤岩塑性区应力
• 4.4 模型范围及其参数
• 4.4.1 钻孔的影响范围
• 4.4.2 模型参数和数值试验模型
• 4.4.3 煤岩力学参数与屈服准则
• 4.5 煤层深度变化的数值试验
• 4.5.1 求解与结果
• 4.5.2 试验结果分析
• 4.6 不同钻孔直径的应力场数值试验
• 4.6.1 求解与结果
• 4.6.2 试验结果分析
• 4.7 不同钻孔间距的应力场数值试验
• 4.7.1 求解与结果
• 4.7.2 试验结果分析
• 4.8 内聚力变化的数值试验
• 4.8.1 求解与结果
• 4.8.2 试验结果分析
• 4.9 内摩擦角变化的数值试验
• 4.9.1 求解与结果
• 4.9.2 试验结果分析
• 4.10 本章小结
• 5 突出煤层密集钻孔瓦斯预抽数值试验
• 5.1 概述
• 5.2 煤岩-瓦斯固气耦合（RFPA-GAS）理论
• 5.2.1 煤岩体中瓦斯渗流场方程
• 5.2.2 煤岩体的变形场方程
• 5.2.3 煤岩-瓦斯流固耦合模型
• 5.2.4 RFPA-GAS流固耦合模型数值解法
• 5.3 数值试验的参数与模型
• 5.3.1 数值试验参数的选取
• 5.3.2 数值试验的模型
• 5.4 数值试验的结果
• 5.4.1 煤层瓦斯压力试验结果
• 5.4.2 钻孔瓦斯流量试验结果
• 5.5 结果分析
• 5.5.1 煤层瓦斯压力和有效抽采半径
• 5.5.2 钻孔瓦斯流量
• 5.6 本章小结
• 6 工程实例验证与分析
• 6.1 白皎煤矿穿层密集钻孔预抽
• 6.1.1 试验区概况
• 6.1.2 试验区瓦斯预抽数值模拟
• 6.2 大平煤矿顺层密集钻孔预抽
• 6.2.1 试验区概况
• 6.2.2 试验区瓦斯预抽数值模拟
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 作者简历
• 学位论文数据集