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水力割缝防止掘进工作面瓦斯突出的机理研究

作　者: 张希宇
导　师: 赵阳升
学　校: 太原理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 水力割缝数值模拟围岩稳定性煤与瓦斯突出
分类号: TD712.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

当前,在我国,煤与瓦斯突出是煤矿危害程度最大的事故之一,并且突出很多都发生在煤层的掘进工作面,我国绝大多数煤层都是渗透性非常差的煤层,以往的密集钻孔抽放,水力冲孔,水压致裂,开采解放层强化抽放等方法用来改善低渗透煤层的渗透特性,但是最后的瓦斯抽放效果都不甚理想。近年来,通过有关对煤体的渗透系数相关方面的研究,煤层自身受埋深等因素的影响,地应力和煤体自身的应力特征将会影响煤体的渗透性,有关专家学者通过相关理论和试验研究,认为“能够有效改善煤层的低渗透特性的唯一有效的技术途径是使煤层卸压”,高压水力割缝技术能够有效解决低渗透煤层的瓦斯抽放问题,是避免或者有效减少煤与瓦斯突出等动力灾害的主要技术方法[1]。尽管从20世纪70年代至今进行过多次水力割缝煤层卸压的试验,但是水力割缝使得煤层卸压后是否对掘进工作面围岩的稳定性产生影响,以及割缝后掘进巷道及两帮煤体瓦斯运移等方面,目前国内还没出现进一步研究,一直是一个悬而未决的问题。本文通过对掘进工作面巷道利用高压水力定向推进钻机实施水力割缝,使本巷道煤层卸压,割缝后煤层中裂隙和裂缝数量明显增多,这样既提高了瓦斯的抽放率,同时改善了低渗透煤层的渗透性,在很大程度上防止瓦斯突出,大大改善矿井采掘失调的状况。本人在导师的细心指导下,以应用FLAC30工程软件的数值模拟计算为基础,对水力割缝后掘进工作面煤壁、顶底板及两帮的围岩稳定性做了数值计算分析,并对割缝后煤层瓦斯运移情况进行了相关分析研究,得出的相关结论对煤与瓦斯安全高效共采具有重要的意义。基于上述基础,本文主要从以下几个方面做了一些研究：(1)应用高压水力割缝技术,采取多种割缝高度,通过数值模拟计算,对割缝后缝槽周围煤岩体的应力和变形情况进行分析,最后通过计算和比较分析,割缝高度30mm时即可使缝槽周围煤体完全或者最大程度卸压。(2)在采取一定的水力割缝高度,使缝槽周围煤体最大程度卸压的基础上,顺槽煤层巷道掘进开挖5m的距离以后,巷道周围的应力分布和变形又重新达到了新的平衡,在左右侧出现垂向应力集中,在上下方出现水平应力集中,峰值都达到了14MPa,巷道上方最大变形达到3cm,掘进头前方支撑压力呈现应力三区的变化规律。(3)利用RTEA2D软件对煤层进行割缝以后的瓦斯涌出情况及瓦斯压力变化情况进行数值模拟渗流计算,根据采矿工程中对瓦斯压力要求小于0.74MPa的指标规定,对水力割缝防止顺槽掘进工作面瓦斯突出机理及效果给予验证和说明。(4)提出防止掘进工作面瓦斯突出的实施方案,并对高压水力割缝过程中以及割缝后整个巷道的瓦斯浓度变化、巷道前方及两帮煤体内瓦斯压力的变化,割缝后煤体渗透性等方面进行钻孔布置和监测,通过水力割缝提高了煤层瓦斯的抽采率。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-18
  1.1 引言  12-13
  1.2 煤层气开采国内研究状况  13-14
  1.3 煤层气开采国外研究状况  14-16
  1.4 本文主要的研究内容及研究技术手段  16-18
第二章水力割缝强化煤体卸压的数值模拟  18-44
  2.1 概述  18-19
  2.2 数值模拟软件说明及模型的简化  19-22
    2.2.1 FLAC3D软件特征及应用情况介绍  19-20
    2.2.2 模型的简化情况介绍  20-22
    2.2.3 计算模型单元网格的剖分  22
  2.3 顺槽水力割缝高度30mm的煤体卸压分析  22-30
    2.3.1 割缝30mm的煤体垂向应力分析  22-25
    2.3.2 割缝30mm的煤体水平应力分析  25-27
    2.3.3 割缝30mm的煤体竖直位移分析  27-28
    2.3.4 割缝30mm的煤岩体塑性破坏分析  28-30
  2.4 顺槽水力割缝高度40mm的煤体卸压分析  30-37
    2.4.1 割缝40mm的煤体垂向应力分析  30-32
    2.4.2 割缝40mm的煤体水平应力分析  32-34
    2.4.3 割缝40mm的煤体竖直位移分析  34-35
    2.4.4 割缝40mm的煤体塑性破坏分析  35-37
  2.5 顺槽水力割缝高度50mm的煤体卸压分析  37-43
    2.5.1 割缝50mm的煤体垂向应力分析  37-39
    2.5.2 割缝50mm的煤体水平应力分析  39-41
    2.5.3 割缝50mm的煤体竖直位移分析  41-42
    2.5.4 割缝50mm的煤体塑性破坏分析  42-43
  2.6 本章小结  43-44
第三章割缝后巷道顶底板及两帮应力变形分析  44-60
  3.1 国内外巷道围岩稳定性研究现状  44
  3.2 煤层开采对围岩稳定性的影响  44-45
  3.3 割缝后顺槽巷道顶底板及两帮应力分析  45-50
  3.4 割缝后掘进工作面顶底板及两帮变形分析  50-53
  3.5 掘进头前方应力分析  53-59
    3.5.1 割缝后巷道掘进头前方应力分析  53-56
    3.5.2 普通巷道掘进头前方应力分析  56-59
  3.6 本章小结  59-60
第四章水力割缝对煤层瓦斯渗流的影响研究  60-72
  4.1 概述  60-61
  4.2 水力割缝后瓦斯涌出、压力变化的分析  61-69
  4.3 割缝对防止瓦斯突出效果的研究  69-71
  4.4 本章小结  71-72
第五章水力割缝防止掘进工作面瓦斯突出的实施方案研究  72-88
  5.1 国内与国外防止瓦斯突出研究现状概述  72-73
  5.2 煤与瓦斯的物理力学特性  73-75
    5.2.1 煤层中瓦斯的形成与赋存规律  73
    5.2.2 含瓦斯煤体的物理力学性质  73-74
    5.2.3 掘进工作面煤与瓦斯突出机理  74-75
  5.3 水力割缝防止掘进工作面瓦斯突出工艺设计  75-87
    5.3.1 引言  75
    5.3.2 高压水力割缝钻机系统  75-79
    5.3.3 水力割缝的井下工艺实施方案  79-87
  5.4 本章小结  87-88
第六章结论与展望  88-92
  6.1 结论  88-89
  6.2 展望  89-92
参考文献  92-96
致谢  96-98
附录  98

水力割缝防止掘进工作面瓦斯突出的机理研究

内容摘要

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