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高瓦斯矿井采空区大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究

作　者: 刘洋
导　师: 吴世跃
学　校: 太原理工大学
专　业: 安全工程
关键词: 大直径钻孔瓦斯抽采采空区数值模拟
分类号: TD712.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大直径钻孔是瓦斯抽采的发展趋势,也是今后高瓦斯综放工作面瓦斯抽采技术的研究重点。基于此,本文以沙曲矿为背景,对高瓦斯矿井大直径扇形高位钻孔瓦斯抽采技术进行了分析研究。利用Flac3D软件对该矿24207工作面采空区顶板覆岩的移动进行数值模拟,通过对Z方向位移等值线进行分析,得知在采空区后方60m处覆岩移动即达到了平衡状态,并可清晰的判断主要关键层的位置分布在工作面上方18m及46m处。最终运用经验公式法计算出的冒落带及裂隙带最大高度分别为16.88m和46.3m,利用关键层组合分析法计算出的冒落带及裂隙带高度分别为17.56m和44.96m,利用数值模拟分析法得出的结果为18m和50m。为尽量减少误差,取三者的平均值作为最终结果,即冒落带、裂隙带的的最大高度分别为17m和47m。系统的研究了“U”型、“U+L”、“Y”型通风情况下,采空区泄压瓦斯的运移规律和其在采空区空间的浓度分布特征。分析得知,相同条件下使用“Y”型通风工作面后方10m以内的上隅角瓦斯浓度在0.26%～0.36%之间,仅为“U”型通风时的1/8,“U+L”型通风时的3/4。对试验工作面回采期间瓦斯涌出量进行预测,计算知仅依靠通风稀释瓦斯,回风流中的瓦斯浓度高达2.24%,进行瓦斯抽采势在必行。论述了钻孔抽采瓦斯的基本原理,推导了不稳定渗流及稳定渗流时钻孔周边压力分布公式。得出距离钻孔越远的点压力降越小,同一地点的压力降随着抽放时间的增加而减小的结论。并利用Fluent软件对影响钻孔抽放效果主要因素进行了详细分析,得知钻孔的抽放效果受抽放负压、钻孔孔径以及煤层的渗透率影响较大；钻孔的影响范围以及钻孔的抽采量随着抽放负压的降低而增大；随着钻孔孔径的增大而增大；随着煤层渗透率的降低而增大。该结论与推导的公式相吻合,证明了采空大直径钻孔治理瓦斯的可行性。基于采空区覆岩沉降特征及泄压瓦斯运移规律,提出了大直径高位钻孔瓦斯抽采技术,确定了高位钻孔仰角的最佳取值范围为210<9<39。,钻场的合理间距应在40m-45m之间。通过对钻孔和倾向高位巷的实测抽采数据进行分析,整个钻场5个钻孔的平均抽采纯量12.2m3/min,有效抽放时间达63天；布置在同一侧的倾向高位巷的平均抽采纯量为10.05m3/min,有效抽放时间43天。证明大直径高位钻孔能够替代高位巷治理采空区瓦斯,对其它矿井瓦斯治理具有较大的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 采空区瓦斯抽采国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国内外工程实践研究现状  12-16
    1.2.2 国内外数值模拟研究现状  16-17
  1.3 采空区瓦斯抽采存在的问题及发展趋势  17-18
    1.3.1 现存问题  17
    1.3.2 发展趋势  17-18
  1.5 课题研究意义  18
  1.6 本文研究内容、目标及技术路线  18-21
    1.6.1 研究内容  18-19
    1.6.2 研究目标及技术路线  19-21
第二章试验矿井概况  21-27
  2.1 矿井生产概况  21-22
    2.1.1 矿井煤层分布及瓦斯赋存特征  21-22
    2.1.2 矿井开拓方式  22
  2.2 工作面安全生产概况  22-27
    2.2.1 煤层、煤质及其顶底板岩性  22-24
    2.2.2 工作面地质构造特征  24
    2.2.3 水文地质  24
    2.2.4 巷道布置及工作面基本参数  24-25
    2.2.5 通风方式及配风方法  25-27
第三章采空区覆岩采动破坏特征研究  27-47
  3.1 采后覆岩移动特征分析  27-33
    3.1.1 岩石的碎胀性  27-28
    3.1.2 关键层理论  28
    3.1.3 关键层对采后覆岩破坏沉降的影响  28-30
    3.1.4 竖直方向“三带”理论  30-31
    3.1.5 水平方向“三区”理论  31-33
  3.2 FLAC3D数值模拟建模  33-37
    3.2.1 Flac3D数值模拟的基本原理  33
    3.2.2 Flac3D软件简介  33-34
    3.2.4 数值模拟几何模型的建立及网格划分  34-36
    3.2.5 定义材料模型及参数  36-37
  3.3 FLAC3D模拟步骤及结果分析  37-41
    3.3.1 加载边界条件及工作面开挖  37-38
    3.3.2 模拟结果分析  38-41
  3.4 试验工作面“三带”高度的划分  41-46
    3.4.1 经验公式法  41-42
    3.4.2 关键层组合分析法  42-45
    3.4.3 Flac3D数值模拟分析  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第四章采空区卸压瓦斯运移规律研究  47-61
  4.1 采空区瓦斯流动理论基础  47-52
    4.1.1 多孔介质理论及简化假设  47-48
    4.1.2 瓦斯在多孔介质中的运移状态及简化假设  48-49
    4.1.3 扩散—渗流理论  49-51
    4.1.4 瓦斯渗流运动数学模型  51-52
  4.2 泄压瓦斯流动物理过程  52-54
    4.2.1 本煤层瓦斯流动  52
    4.2.2 邻近层瓦斯流动  52-53
    4.2.3 采空区瓦斯流动  53-54
  4.3 不同通风方式下采空区瓦斯流动数值模拟  54-58
    4.3.1 Fluent软件简介  54
    4.3.2 模型的建立及边界条件的设置  54-55
    4.3.3 模拟结果分析  55-58
  4.4 试验工作面回采期间瓦斯涌出量预测及抽采必要性分析  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究  61-79
  5.1 钻孔抽放瓦斯的基本原理  61-63
    5.1.1 平面径向不稳定渗流方程  61-63
    5.1.2 平面径向稳定渗流方程  63
  5.2 影响钻孔抽放效果主要因素的FLUENT模拟分析  63-66
    5.2.1 模型的建立及模拟方案  64
    5.2.2 模拟结果分析  64-66
  5.3 井下大直径高位钻孔参数设计  66-72
    5.3.1 大直径高位钻孔钻场布置方案  66-68
    5.3.2 合理布孔参数的确定  68-72
  5.4 扇形高位钻孔与倾向高位巷试验观测及对比分析  72-76
    5.4.1 抽采效果观测及分析  73-75
    5.4.2 工作面安全状况分析  75-76
    5.4.3 大直径扇形高位钻孔的优点  76
  5.5 本章小结  76-79
第六章结论  79-81
  6.1 本文主要结论  79-80
  6.2 不足与展望  80-81
参考文献  81-87
致谢  87-89
在校期间研究成果  89

高瓦斯矿井采空区大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究

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