土朱矿上保护层开采保护范围及瓦斯运移规律研究

论文摘要

煤与瓦斯突出是煤矿最为严重的灾害之一,而保护层开采是防治煤与瓦斯突出的有效措施。本文结合了弹塑性力学、岩体力学、渗流力学等相关理论,以土朱矿上保护层开采为工程背景,分析了上保护层开采后,底板岩层的应力分布、移动变形、被保护层渗透率分布,在此基础上研究了上保护层开采的保护范围及瓦斯运移规律。在前人的基础上,运用弹塑性力学,建立采场底板力学模型,分析得出了采场底板应力变化、位移变化规律及被保护层渗透率分布规律。(1)在远离采空区的地方不受采动影响为原始应力区;在采空区两端煤柱上,产生了应力的集中为应力集中区;在采空区下方一定范围内,应力是降低的为应力降低区,并随着工作面的推进采空区后方应力逐渐恢复。随着层间距的增加,采动对底板的影响不断减少。(2)分析了采场底板岩层位移变化情况,在应力集中区岩层下沉,在应力降低区岩层发生底鼓现象,在采空区底板下方被保护层处最大位移量超过100mm,并且位移量随着层间距的增加而减少。(3)对土朱煤矿保护范围进行了分析,并拟合了上保护层开采保护范围曲线,指出土朱矿3煤开采后,沿走向方向卸压角在39.4°~69.8°之间,倾斜方向卸压角为75.43°左右。(4)通过应力与渗透率的关系得出了保护层开采后土朱矿5煤层渗透率的分布规律,并分析了瓦斯流动通道。分别利用FLAC3D软件、COMSOL软件对土朱矿保护层开采过程中围岩应力、位移的变化规律及被保护层瓦斯运移规律进行了数值模拟。(1)模拟了土朱矿上保护层开采过程中底板应力变化及位移变化规律,并根据底板应力的分布划定了保护范围,在走向方向上卸压角为52.36°~61.89°;在倾斜下方为73.2°,倾斜上方为74°。(2)模拟土朱矿上保护层开采过程中,被保护层瓦斯运移规律。开采20m后,被保护层最低瓦斯压力降低到了1.125MPa;开采40m时,被保护层最低瓦斯压力降低为0.65MPa;开挖60m后,被保护层最低瓦斯压力降低到了0.5MPa。针对土朱煤矿的实际情况,设计了土朱矿上保护层开采的观测方案,分析了保护层—3煤开采过程中,被保护层应力及瓦斯压力的变化规律,并划定了保护范围,沿走向卸压角为53.7°~65°,沿倾斜卸压角为74.9°左右。这与理论分析及数值模拟对比:是吻合的。从而为今后运用理论分析、数值方法预测突出矿井保护层开采效果奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 上保护层开采研究现状
• 1.2.1 上保护层开采保护作用研究现状
• 1.2.2 上保护开采保护范围研究现状
• 1.3 瓦斯运移规律研究现状
• 1.3.1 瓦斯运移理论研究现状
• 1.3.2 瓦斯运移试验研究现状
• 1.3.3 瓦斯运移数值模拟研究现状
• 1.4 研究现状的评述
• 1.5 研究内容及论文技术路线
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 研究的技术路线
• 第二章 研究对象的基本情况
• 2.1 前言
• 2.2 矿井概况
• 2.3 研究区域概况
• 2.4 突出煤层初始瓦斯基本参数测定
• 2.4.1 实验室测测定
• 2.4.2 瓦斯参数的现场测定
• 2.5 本章小结
• 第三章 采场底板岩层卸压及瓦斯流动理论分析
• 3.1 概述
• 3.2 采场下底板岩体应力分布分析
• 3.2.1 岩体原始应力状态
• 3.2.2 保护层底板岩体卸压原理分析
• 采场下底板岩层位移分析
• 3.3 上保护层开采保护范围探讨
• 3.3.1 沿走向方向保护范围探讨
• 3.3.2 沿倾斜方向保护范围探讨
• 3.4 被保护层瓦斯运移规律分析
• 3.4.1 被保护层渗透率变化规律
• 3.4.2 底板瓦斯流动通道
• 3.5 本章小结
• 第四章 采场底板卸压及瓦斯运移数值模拟研究
• 4.1 采场底板卸压数值模拟研究
• 4.1.1 FLAC3D 软件介绍
• 4.1.2 模型的建立
• 4.1.3 数值模拟结果分析
• 4.2 采场底板瓦斯运移数值模拟研究
• 4.2.1 COMSOL 软件简介
• 4.2.2 瓦斯运移数学模型
• 4.2.3 数值模拟结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 上保护层开采现场考察及分析
• 5.1 上保护层开采试验方案
• 5.1.1 现场考察内容
• 5.1.2 考察技术方案
• 5.2 被保护层瓦斯压力现场测试及分析
• 5.2.1 煤层瓦斯压力的测定方法
• 5.2.2 瓦斯压力变化规律及分析
• 5.3 被保护层应力现场测试及分析
• 5.3.1 应力测定方法
• 5.3.2 现场应力测定及分析
• 5.4 上保护层开采保护范围划定
• 5.4.1 沿走向方向保护范围确定
• 5.4.2 沿倾向方向保护范围确定
• 5.5 对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A：攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目