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贺西煤矿首采层开采后下伏煤层卸压特征研究

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1 绪论

1.1研究背景及意义(Purpose and Significance of Topic Selection)

1.2国内外研究现状(Research at Domestic and Overseas)

1.3存在问题(Exiting Problems)

1.4主要研究内容和思路(Main Research Contents and Approachs)

2 贺西煤矿瓦斯赋存规律

2.1煤层瓦斯压力(Gas Pressure of Coal)

2.2煤层瓦斯含量(Gas Content of Coal)

2.3 3313工作面基本概况(Basic Profile of 3313 Workface)

2.4 小结(Conclusions)

3 采动应力、位移演化数值模拟分析

3.1保护层开采数值模拟分析(Numerical Analysis about Mining Protective Layer)

3.2保护层开采模拟结果分析(Analysis on Numerical Simulations Result in Mining Protective Layer)

3.3 小结(Conclusions)

4 渗透性实验的设计与方案

4.1力学路径的选择(Choose Mechanics Paths)

4.2型煤试样制取(Preparation of the Bripuette Coal)

4.3渗透率测定方法(Test Method of Permeability)

4.4实验设备(Experimental Equipment)

4.5实验方案(Laboratory Progrom)

4.6本章小结(Brief Summary)

5 卸载过程中煤体渗透性演化特征

5.1煤体渗透率主要影响因素(Main Influencing Factors about Permeability of Coal Body)

5.2煤体在固定轴向位移卸围压过程中渗透性的变化(Changes of Coal Permeability in Process of Fixed Axial Displacement and Unloading Confining Pressure)

5.3煤体在固定差应力卸围压过程中煤体渗透性的变化(Changes of Coal Permeability in Process of Fixed Differential Stress and Unloading Confining Pressure)

5.4不同卸载路径下渗透性的特征(Features of Permeability Under Different Uninstall Paths)

5.5本章小结(Brief Summary)

6 下伏煤层渗透率分布特征及应用

6.1下伏煤层渗透率分布特征(Permeability Distribution features of Underlying Coal Seam)

6.2下伏煤层工作面瓦斯抽采半径的优化(Gas Drainage Drilling Optimization of Underlying Coal Seam)

6.3被保护层工作面瓦斯抽采钻孔布置(Gas Drainage Drilling Arrangement of Protected Coal Seam)

6.4下伏煤层工作面瓦斯抽采效果考察(Study abouot Gas Drainage Effect of underlying coal seam)

6.5本章小结(Brief Summary)

7 结论与研究展望

7.1全文结论(Conclusions of the Paper)

7.2研究展望(Research Prospects)

参考文献

作者简历

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摘要

本文以贺西煤矿三采区3313工作面为原型,用 FLAC3D模拟开挖上覆煤层50 m、100 m、200 m,分析下伏煤层的应力和位移变化。通过实验室进行的渗透性实验,得到渗透模型,结合下伏煤层膨胀变形特征,得出下伏煤层的渗透率变化特征。利用COMSOL Multiphysics软件模拟了不同抽采时间下下伏煤层瓦斯抽采半径,对工作面瓦斯抽采钻孔进行了优化。
  上覆煤层开采后,受采动的影响,下伏煤层煤体经历了加载-卸载过程,随着上覆煤层工作面推进,原来的应力较大的区域应力逐渐减小,转化为卸压区。且煤体卸压范围以及卸压程度与上覆煤层推进距离呈正相关关系。
  由实验室渗透性实验得到的下伏煤层渗透模型可知,煤体在加载阶段,渗透率逐渐减小,达到卸荷点后的卸载阶段,渗透率迅速增大,通过对渗透率测试结果的拟合可知,卸载力学路径下,加载阶段,煤样渗透率与轴向应变的关系为k=A1e-B1ε(A1、B1为拟合系数);卸载阶段,煤样渗透率与轴向应变的关系为k=A2e-B2ε(A2、B2为拟合系数)。
  随着上覆煤层工作面的向前推进,下伏煤层由工作面中心向外依次可划分为渗透率增大1区、渗透率增大2区、渗透率减小区以及原始渗透率区四部分,其中渗透率增大1区的渗透率增加程度和范围是最大的;下伏煤层工作面的煤体处于渗透率增大区域,且大范围的处于渗透率增大1区。
  根据下伏煤层工作面渗透率的分布特征结合COMSOL Multiphysics软件模拟得出不同抽采时间下的瓦斯抽采半径,对下伏煤层工作面瓦斯抽采半径进行优化,在卸压区1和卸压区2顺层瓦斯抽采钻孔间距为16 m,在卸压区1和原始应力区之间的应力集中区煤体钻孔间距为3 m,原始应力区钻孔间距为7 m;工作面瓦斯抽采率大于60%,工作面推进过程中测得瓦斯解吸指标K1值最大为0.25,△h2最大值为138 Pa,测得的最大残余瓦斯压力为0.35 MPa。回采期间平均产量为3500 t/d,平均相对瓦斯涌出量为3.8 m3/t,回风巷瓦斯浓度最大值为0.7%,小于1%,瓦斯未出现过超限现象。

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