邻近层对开采层工作面采空区瓦斯分布规律研究

摘要

我国西北地区煤炭资源埋藏浅，表土层薄，但是煤层厚度大，且层数多，多为煤层群开采。因此在工作面开采过程中，上下邻近层瓦斯涌出的不同特点，将对采动瓦斯的治理带来不同的影响。
　　掌握不同开采条件下采动瓦斯分布规律，可以为分析采动瓦斯涌出后对瓦斯进行抽放提供理论依据，是治理瓦斯的前提。而研究不同条件下采空区上覆岩层的变形破坏规律，确定采动上覆岩石“三带”的范围，也是掌握采动瓦斯流动规律并最终进行采动瓦斯抽放的关键和前提。
　　因此，研究煤层群开采条件下，不同开采顺序所造成的覆岩变形破坏规律以及由此带来的采动瓦斯分布规律，将为矿井回采工作面及上隅角瓦斯治理问题带来理论依据，具有重要的学术意义，也具有重要的技术和经济价值。论文依托内蒙古科技厅重大项目“乌达矿区高瓦斯矿井瓦斯抽采技术及综合利用研究”，以五虎山煤矿生产实际为基础，针对煤层群开采条件下采动瓦斯分布规律和治理技术，从以下几个方面展开了研究并得出结论:
　　(1)通过煤岩样品的实验室测试，获得了煤层及顶板的密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度等基本物理力学参数，为接续研究工作的开展奠定了基础。
　　(2)通过理论分析，在总结前人研究的基础上，建立采动瓦斯分布的数学模型，并对模型进行量化求解。
　　(3)采用理论分析和数值模拟的方式研究煤层群开采过程中采动空间应力、裂隙分布规律。
　　根据应力场模拟结果，首采上层煤时，垮落带最大高度约为10.9m，断裂带最大高度约为22.9m。首采下层煤时，垮落带最大高度约为14.8m，断裂带最大高度约为距本煤层顶板49.4m。
　　覆岩裂隙场研究结果表明:覆岩裂隙场内，裂隙数量分布以两边为多，中部较少，在关键层下部的岩层往往产生较大的离层空间;覆岩底部，孔隙率较大，孔隙率曲线沿走向呈现马鞍状。
　　(4)在理论分析和数值模拟的基础上，研究了上、下邻近层对开采层工作面采空区瓦斯分布规律，得出了不同瓦斯涌出来源（上邻近层和下邻近层）条件下尾巷对采空区瓦斯流动的影响规律，总结形成回采空间采动瓦斯流场分布规律。
　　(5)顶板走向高位钻孔布孔参数设计及参数合理化研究。根据前面的研究成果结合试验工作面的具体情况，设计3～4组不同钻孔数量、钻孔深度的顶板走向高位抽放钻场，通过考察钻孔抽采量与推进距离、推进速度、抽采时间等抽采参数进行现场验证。
　　理论分析和现场考察结果表明:
　　1)首采下层煤时，工作面回风巷内施工的各个钻场内的下、中和上分层钻孔与工作面推进均有一个时空关系，但下分层钻孔处于裂隙发育区段的时间最长，整体抽放效果最好;上分层抽放效果次之，中分层钻孔效果最差。
　　2)首采上层煤时，工作面高位钻孔考察结果证明钻孔抽采的适宜层位与前述“三带”范围的理论分析基本一致;工作面高位钻孔抽采效果不佳，同样表明了尾巷对采空区瓦斯流场分布的研究是正确的。
　　通过以上几个方面的系统研究，掌握了试验工作面的瓦斯涌出来源，确定了回采工作面采动瓦斯分布规律、顶板走向高位钻孔与工作面回采的时空演化关系和顶板走向高位钻孔合理化参数，总结形成了适合五虎山煤矿开采条件下的瓦斯治理技术，为该矿回采空间的瓦斯治理提供了技术支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的研究意义

1．2 相关理论国内外研究动态及发展趋势

1．2．1 覆岩采动裂隙场研究

1．2．2 采空区岩体渗透系数的研究

1．2．3 采动瓦斯渗流力学研究

1．2．4 采动瓦斯流场的研究

1．3 问题的提出

1．4 本文的研究内容及研究思路

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究思路及技术路线

2 矿井概况及试验工作面煤岩力学参数测试

2．1 矿井概况

2．2 井田地质

2．2．1 地层

2．2．2 煤层

2．2．3 井田地质构造

2．3 瓦斯、煤尘、自燃倾向

2．4 试验工作面概况

2．4．1 1201综采工作面概况

2．4．2 905综采工作面概况

2．5 煤岩物理力学性质的实验室测试

2．5．1 试样的制备与加工

2．5．2 力学试验概况

2．5．3 煤岩体密度参数测试

2．5．4 煤岩体弹性模量参数测试

2．5．5 煤岩体泊松比参数测试

2．5．6 煤岩单轴抗压强度测试

2．6 本章小结

3 采动裂隙分布的基本规律和采空区瓦斯分布规律的理论研究

3．1 采动裂隙分布的基本规律

3．2 采空区瓦斯分布规律的数学模型

3．2．1 数学模型

3．2．2 数学模型的差分求解

3．3 本章小结

4 不同开采顺序下采动应力分布规律研究

4．1 模拟软件简介

4．2 有限元模型的建立

4．2．1 力学模型的确定

4．2．2 屈服准则的选取

4．2．3 计算模型与参数

4．3 开采下层煤时工作面围岩应力场分布规律的数值模拟

4．3．1 支承压力分布规律模拟结果

4．3．2 “三区”范围的模拟结果

4．3．3 “三带”范围的模拟结果

4．4 首采上层煤时工作面围岩应力场分布规律数值模拟

4．4．1 支承压力分布规律模拟结果

4．4．2 “三区”范围的模拟结果

4．4．3 “三带”范围的模拟结果

4．5 小结

5 不同开采顺序下采动裂隙分布规律研究

5．1 采动裂隙分布的分析方法

5．1．1 采场覆岩下沉形态的计算方法

5．1．2 采场覆岩孔隙率的计算方法

5．2 首采下层煤时工作面覆岩下沉形态及孔隙率计算

5．3 首采上层煤时综采工作面覆岩下沉形态及孔隙率计算

5．4 工作面”O’’型圈的范围分析

5．4．1 支承压力分布特征

5．4．2 “O”型圈的范围

5．5 小结

6 不同开采顺序时采动瓦斯流场分布规律研究

6．1 采动瓦斯流场数值模拟的软件及模型简介

6．1．1 FLUENT软件概述

6．1．2 物理模型

6．2 首采下层煤时工作面采动瓦斯流场分布规律研究

6．2．1 无尾巷初次来压之前工作面瓦斯浓度分布

6．2．2 无尾巷初次来压之后工作面瓦斯浓度分布

6．2．3 与实测结果的对比分析

6．2．4 小结

6．2．5 尾巷对工作面瓦斯浓度分布规律的影响

6．3 首采上层煤时工作面采动瓦斯流场分布规律研究

6．3．1 无尾巷初次来压之前工作面瓦斯浓度分布

6．3．2 无尾巷初次来压之后工作面瓦斯浓度分布

6．3．3 尾巷对工作面瓦斯流场分布的影响

6．4 结论

7 邻近层卸压瓦斯治理的现场实践

7．1 首采下层面时工作面瓦斯治理技术

7．1．1 12煤工作面瓦斯灾害情况

7．1．2 工作面瓦斯涌出计算

7．1．3 工作面顶板走向高位钻孔瓦斯治理技术的成功应用

7．2 首采上层煤时工作面瓦斯治理技术

7．2．1 工作面瓦斯涌出量计算

7．2．2 利用定向钻孔技术预抽下邻近煤层瓦斯

7．2．3 工作面高位钻孔设计层位的应用考察

7．2．4 单孔瓦斯抽采量规律统计

7．2．5 钻场及泵站瓦斯抽采量规律统计

7．2．6 各孔抽采流量、负压和浓度随垂高的变化规律

7．2．7 工作面高位钻孔瓦斯抽采效果不佳主要原因分析

7．2．8 结论

7．3 9煤工作面钻孔抽放参数设计

7．3．1 9煤工作面抽采适宜位置的初步确定

7．3．2 钻孔抽放参数的初步设计

7．3．3 高位钻孔参数设计的主要依据

7．4 本章小结

8 主要结论

8．1 主要结论

8．2 主要创新点

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果