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高瓦斯首采工作面裂隙带钻场及煤层钻孔多位联合抽采技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 采动覆岩移动规律研究现状

1.2.2 瓦斯流动理论研究现状

1.2.3 矿井瓦斯抽采现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 采场覆岩移动与瓦斯流动规律

2.1 试验工程概况

2.1.1 矿井概况

2.1.2 试验工作面概况

2.2 采场覆岩组合与岩性分析

2.2.1 直接顶

2.2.2 基本顶

2.2.3 关键层

2.3 覆岩卸压移动机理

2.3.1 应力转移

2.3.2 采场应力分布

2.4 覆岩“两带”分布

2.4.1 岩体破坏本构模型

2.4.2 冒落带与裂隙带

2.4.3 高位环形裂隙圈

2.5 煤体中瓦斯流动规律

2.5.1 煤体原生特性

2.5.2 煤体内瓦斯流动规律

2.6 采空区中瓦斯流动规律

2.6.1 采空区特性

2.6.2 采空区中瓦斯流动规律

2.7 小结

第三章 围岩采动影响数值模拟

3.1 离散元法基本原理及UDEC2D介绍

3.1.1 离散元法基本原理

3.1.2 UDEC2D数值计算原理

3.1.3 UEDC2D应用领域

3.2 数值模型建立

3.2.1 几何边界条件

3.2.2 岩体基础参数确定

3.2.3 初始条件

3.2.5 走向和倾向模型

3.3 模拟结果分析

3.3.1 采场裂隙演化分析

3.3.2 煤体内采动应力特征

3.3.3 采空区应力分布特征分析

3.4 小结

第四章 工作面瓦斯抽采技术研究

4.1 钻孔瓦斯抽采技术原理

4.1.1 本煤层钻孔抽采技术

4.1.2 裂隙带钻孔抽采技术

4.2 采场瓦斯富集规律

4.2.1 工作面煤体瓦斯排放规律

4.2.2 采空区瓦斯富集规律

4.3 工作面多位联合瓦斯抽采模式

4.3.1 工作面多位联合瓦斯抽采理论体系

4.3.2 工作面多位联合瓦斯抽采技术体系

4.4 小结

第五章 工程试验

5.1 抽采系统建立

5.1.1 本煤层钻孔布置

5.1.2 裂隙带钻场布置

5.2 工程试验效果分析

5.2.1 本煤层抽采分析

5.2.2 裂隙带瓦斯抽采分析

5.2.3 相关建议

5.3 小结

第六章 结论

6.1 主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

在校期间研究成果

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摘要

高瓦斯煤层首采工作面,存在诸多不确定因素,可供参考的工程范例较少,为瓦斯的防治工作增加了难度。文中以余吾煤业首采工作面N2105为工程背景,从上覆岩层组合与顶底板岩性,覆岩卸压移动机理,和“两带”分布规律三个方面分析了采场覆岩移动规律,从煤体瓦斯流动和采空区瓦斯流动两个方面分析了采场瓦斯运移规律;采用通用离散元程序UDEC2D,依据N2105工作面顶底板岩层分布,建立采场走向和倾向数值计算模型,用走向模型分析覆岩采动裂隙演化规律,及煤体内采动力学特征,倾向模型判断覆岩卸压稳定后裂隙发育良好区域分布,为工作面本煤层钻孔和裂隙带钻场布置参数确定奠定了基础;通过对钻孔瓦斯抽采原理和采场瓦斯富集规律的分析,构建了工作面多位联合瓦斯抽采模式;研究确定了本煤层瓦斯抽采钻孔和裂隙带瓦斯抽采钻场布置的关键参数,并进行了工程试验,取得了以下结论:
  1)采场覆岩伴随顶板的来压现象,采动裂隙逐步向高层位发育,随采动范围扩大,采空区冒落岩层趋于被压实,裂隙发育达到最高层位。
  2)采动影响下二次应力重新分布的过程中,工作面前方煤体内承受压应力瞬间由原始状态应力迅速增高,当达到煤体自身强度极限时发生破坏,应力减小至残余应力,并产生“让压”现象,应力峰值点逐渐向深部转移。
  3)覆岩裂隙发育良好区域:采空区上下端头向内0~50m和煤层顶板岩层30~50m范围空间交汇处。
  4)由工作面裂隙带钻场和煤层钻孔多位联合瓦斯抽采理论体系和技术体系,构建了多位联合瓦斯抽采模式。
  5)采用增加煤层钻孔覆盖率和利用“卸压增渗”的效应的方法提高本煤层抽采率;确定了裂隙带抽采钻场终孔位置为煤层顶板35~40m,回风顺槽侧钻场间距40m,胶带顺槽侧钻场间距80m,协同拦截高位环形裂隙圈中聚积的瓦斯。
  6)煤层瓦斯的抽采受到工作面推进速度的影响,适当增加推进速度利于瓦斯排放,对于工作面安全管理有积极的意义。
  7) N2105工作面初采期间,裂隙带钻场抽采瓦斯量处较低水平,随推进距增加,覆岩裂隙逐渐发育,瓦斯抽采量随之增加,累积推进达100~120m之间,采空区压实区形成,50#钻场抽采瓦斯纯量达10m3/min,高位钻场发挥最大效用,覆岩裂隙发育范围达到最高层位。
  8)首采工作面最为突出问题是顺利渡过初采期,提出采空区内压实区形成为初采困难期结束标志,并给出了相关建议。

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