煤矿瓦斯赋存和运移的力学机制及应用研究

摘要

瓦斯既是煤矿重要的致灾因素之一，又是重要的清洁能源。导致瓦斯灾害频发的根本原因是瓦斯赋存规律认识不清，而直接原因是瓦斯运移规律认识不清。针对此问题，运用瓦斯地质学、岩石力学、渗流力学和数值仿真等理论，采用理论分析、数值分析和现场实验相结合的研究方法，以受力分析及力的作用结果为主线，围绕煤矿瓦斯赋存和运移的力学机制及应用开展研究，取得了一些有意义的成果。
　　基于前人的研究成果，提出了瓦斯赋存地质构造逐级控制的力学解释:瓦斯赋存受地质构造及其演化控制;构造应力场的性质控制着构造的性质、范围和强度，高级别构造应力场控制低级别构造应力场;通过研究各期构造运动应力场及现代构造应力对构造形成与性质、煤体物理力学性质等的影响，分离出构造挤压剪切区、拉张裂陷区;构造挤压剪切，易破坏煤体形成构造煤，煤层透气性低，利于瓦斯保存和瓦斯富集，控制着瓦斯突出危险区分布;拉张裂陷，应力释放，煤岩层透气性好，有利于瓦斯逸散。
　　系统研究了现代应力作用下断层、褶皱构造对瓦斯赋存尤其瓦斯突出的影响。断层附近是否具有突出危险性主要取决于断层走向与现代应力的关系及构造煤的厚度。断层走向与最大主应力平行时，利于应力释放，有利于瓦斯释放，但断层尖灭端出现应力集中，瓦斯保存条件相对较好，需预防瓦斯事故;随着断层走向与主应力方向夹角的增大，挤压应力影响范围随之增大，突出危险范围也随之增大;断层走向与最大主应力垂直时，有利于断层形成应力闭合空间，煤层渗透性低，从而形成大范围的瓦斯富集区，突出危险性最大。背斜两翼一定范围内剪应力集中，可能是造成该带瓦斯突出严重的原因。
　　建立了矿井瓦斯涌出量反演瓦斯含量及含量取值方法，提出了基于瓦斯地质图的瓦斯资源量计算方法，已被应用到国家能源局组织的全国煤矿瓦斯地质图编制中，计算了22省（区、市）瓦斯资源量，汇总了中国煤矿2000m以浅瓦斯资源量为29.17万亿m3。基于含瓦斯煤岩破裂过程气固耦合作用模型，采用RFPA-GAS软件模拟了上保护层开采过程，实践证明数值试验的结果和实测效果有较好的一致性。在保护层掘进遇构造破坏带或与层间距较小时，易引发瓦斯突出;回采时，卸压膨胀陡变带底板岩体容易产生剪切破坏，遇构造破坏带或与层间距较小时，易诱发瓦斯突出。同时，将近距离上保护层底板分为4个渗流区:原始渗流区（原始应力区）——渗流减速减量区（压缩区）——渗流急剧增速增量区（卸压膨胀陡变区）——渗流平稳增量区（卸压膨胀平稳区）。
　　利用上述研究成果，结合平煤五矿实际，制定了保护层开采期间瓦斯抽采及相关措施，保证了保护层及被保护层采掘安全，实现了煤和瓦斯高效共采。

目录

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摘要

主要符号表

1 绪论

1.1 选题目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地质构造对瓦斯赋存的影响研究现状

1.2.2 煤层瓦斯流动理论研究现状

1.2.3 采动卸压瓦斯运移规律研究现状

1.3 主要研究内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 瓦斯赋存地质构造逐级控制理论的力学解释

2.1 瓦斯赋存地质构造逐级控制理论的力学机制

2.2 煤岩层挤压剪切对瓦斯赋存的控制作用研究

2.2.1 平项山矿区瓦斯赋存地质构造控制规律研究

2.2.2 焦作矿区瓦斯赋存地质构造控制规律研究

2.3 煤岩层拉张裂陷对瓦斯赋存的控制分析

2.4 本章小结

3 现代应力对瓦斯赋存的控制作用研究

3.1 现代应力作用下断层走向对瓦斯赋存的影响研究

3.1.1 不同走向断层附近应力分布规律分析

3.1.2 断层走向对瓦斯赋存的影响分析

3.1.3 典型实例分析

3.2 现代应力作用下褶皱构造对瓦斯赋存的影响研究

3.2.1 平煤十矿瓦斯突出分布规律分析

3.2.2 瓦斯突出的瓦斯地质条件分析

3.2.3 现代应力作用下褶皱应力分布规律及对瓦斯突出影响研究

3.3 本章小结

4 煤矿瓦斯资源量计算方法及应用

4.1 瓦斯资源量计算方法

4.1.1 常用瓦斯（煤层气）资源量计算方法

4.1.2 基于瓦斯地质图的瓦斯资源量计算法

4.2 瓦斯含量取值方法的应用实例

4.2.1 晋城矿区瓦斯含量确定

4.2.2 淮南矿区瓦斯含量确定

4.3 中国煤矿瓦斯资源量计算结果

4.5 本章小结

5 保护层开采瓦斯运移的力学机制研究

5.1 保护层开采突出危险区分布规律研究

5.1.1 保护层掘进突出危险区分析

5.1.2 保护层回采突出危险区分析

5.2 保护层开采卸压增透机理与瓦斯渗流规律研究

5.2.1 RFPA-GAS数值建模

5.2.2 保护层及被保护煤层应力变化规律

5.2.3 被保护层变形位移变化规律

5.2.4 顶底板变形破坏与裂隙演化规律

5.2.5 被保护层透气性变化与瓦斯运移规律

5.2.6 保护层底板渗流区区划

5.2.7 现场验证

5.3 本章小结

6 保护层开采瓦斯运移力学机制的工程实践

6.1 试验矿井瓦斯地质概况

6.2 掘进瓦斯抽采技术研究

6.2.1 顺层递进式预抽区段瓦斯技术及探构造措施

6.2.2 探层间距措施

6.2.3 穿层钻孔瓦斯抽采

6.3 回采瓦斯抽采技术研究

6.3.1 采场瓦斯抽采技术

6.3.2 上隅角瓦斯抽采技术

6.4 煤与瓦斯共采效果分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

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