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上保护层开采煤岩变形与卸压瓦斯抽采技术研究

作　者: 高明松
导　师: 石必明
学　校: 安徽理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 上保护层开采 下伏煤岩体 卸压瓦斯抽采 裂隙发育 透气性
分类号: TD712.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文采用理论分析、计算机数值模拟和现场试验相结合的研究方法,系统研究了上保护层开采后下伏煤岩体的应力分布特征、裂隙发育规律、渗透性变化特性、下被保护层卸压瓦斯运移规律及在煤层卸压瓦斯抽采技术中的应用,其研究成果对类似开采条件下低透高瓦斯突出煤层瓦斯防治及安全高效开采等方面具有重要指导意义。建立了采场下伏煤岩体应力分布力学模型,推导出应力计算公式并进行求解,结合数值模拟试验的分析结果,得出了采场下伏煤岩体内的应力变化及分布规律；分析研究了煤层底板岩体破坏规律及裂隙发育特征,随着工作面的推进,底板煤岩体总处于压缩、膨胀、重新压实的连续周期性破坏；根据不同层位裂隙发育状况和特征,将底板裂隙带分为底鼓破坏带和底鼓损伤带两个带；获得了下伏煤岩层渗透性系数变化规律为：原始值→小幅下降→大幅增加→下降→稳定；依据煤层卸压瓦斯的“解吸—扩散—渗流”运移特性,分析了采动裂隙场与瓦斯流动场的耦合作用规律。通过淮南张集煤矿上保护层开采现场试验,表明被保护层获得了很好的卸压效果,考察得到被保护层6煤层的最大膨胀变形量16mm,最大膨胀变形率为4%o；透气性系数由0.054m2/MPa2·d达到35.44m2/MPa2·d,增大660倍；6煤层卸压瓦斯抽采半径达到20m。采用底板岩巷网格式上向穿层钻孔瓦斯抽采技术对被保护层卸压瓦斯进行抽采,被保护范围内煤层瓦斯抽采率达到44.8%,下被保护层残余瓦斯含量降到了2.33 m3/t,残余瓦斯压力降为0.35MPa,表明被保护层获得了良好的卸压瓦斯抽排效果；被保护层的瓦斯含量得到有效降低,消除了突出危险性,确保了被保护层的安全开采。同时通过综合对比分析表明,理论分析、数值模拟和现场试验研究所得到的结论具有很好的一致性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-15
1 绪论  15-21
  1.1 研究的背景及意义  15-17
    1.1.1 课题研究的背景  15-16
    1.1.2 课题研究的意义  16-17
  1.2 保护层开采技术国内外研究概况  17-19
    1.2.1 煤层底板应力分布及裂隙发育研究现状  17-18
    1.2.2 保护层开采及卸压瓦斯抽采研究现状  18-19
  1.3 存在的主要问题  19
  1.4 研究的主要内容及技术路线  19-21
2 采场下伏煤岩体应力分布理论分析与裂隙发育规律研究  21-39
  2.1 采场煤岩体应力状态分析  21-22
  2.2 上保护层开采下伏煤岩体应力分布理论分析  22-31
    2.2.1 底板力学模型  22-23
    2.2.2 应力计算公式推导  23-26
    2.2.3 数值计算及应力分析  26-31
  2.3 煤层底板破裂规律及裂隙产生机理分析  31-34
    2.3.1 煤层底板破坏规律  31-32
    2.3.2 下伏煤岩体裂隙发育规律研究  32
    2.3.3 采场底板裂隙分带研究  32-34
  2.4 下被保护层透气性变化规律  34-36
    2.4.1 煤层透气性的影响因素  34
    2.4.2 被保护层透气性变化规律  34-36
  2.5 本章小结  36-39
3 采场下伏煤岩体卸压变形数值模拟试验研究  39-57
  3.1 数值模拟目的  39-40
  3.2 数值模拟软件介绍  40
  3.3 模型建立  40-44
    3.3.1 模拟试验的原型地质条件  40-41
    3.3.2 模型的基本参数  41-44
  3.4 数值模拟结果分析  44-55
    3.4.1 工作面底板煤岩体裂隙发育规律  44-46
    3.4.2 工作面下伏煤岩体应力场变化规律分析  46-51
    3.4.3 被保护层煤层膨胀变形特征  51-53
    3.4.4 工作面开采卸压范围  53-55
  3.5 本章小结  55-57
4 煤层卸压瓦斯运移规律与抽采技术研究  57-67
  4.1 煤层瓦斯赋存特征  57-58
    4.1.1 煤层中瓦斯赋存状态  57
    4.1.2 煤层瓦斯解析及吸附特性  57-58
  4.2 煤层瓦斯渗流特性  58-60
    4.2.1 煤的孔隙特征及裂隙性  58-59
    4.2.2 瓦斯扩散-渗透运动  59-60
  4.3 下卸压层瓦斯流动与采动裂隙场演化的关系  60-63
    4.3.1 卸压煤层瓦斯运移特性  60-61
    4.3.2 下伏煤岩体采动裂隙发育演化对瓦斯运移的影响  61-62
    4.3.3 采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律  62-63
  4.4 上保护层开采和卸压瓦斯抽采技术研究  63-65
    4.4.1 开采保护层卸压增透作用规律  63-64
    4.4.2 被保护层卸压瓦斯抽采作用  64
    4.4.3 下被保护层卸压瓦斯抽采方法  64-65
  4.5 本章小结  65-67
5 上保护层开采及卸压瓦斯抽采现场试验研究  67-91
  5.1 矿井及试验区概况  67-68
    5.1.1 矿井概况  67
    5.1.2 试验工作面概况  67-68
  5.2 卸压范围考察  68-70
    5.2.1 沿工作面回采方向的保护范围  68-69
    5.2.2 沿工作面倾斜方向的保护范围  69-70
  5.3 保护层开采卸压效果考察  70-80
    5.3.1 煤层瓦斯压力与瓦斯含量测定  70-73
    5.3.2 被保护煤层变形量考察  73-75
    5.3.3 被保护煤层透气性变化  75-78
    5.3.4 卸压煤层瓦斯抽采半径  78-80
    5.3.5 被保护层残余瓦斯压力与瓦斯含量测试  80
  5.4 瓦斯抽采效果分析  80-89
    5.4.1 瓦斯抽采方案设计  80-82
    5.4.2 瓦斯抽采统计分析  82-88
    5.4.3 被保护层瓦斯抽采率分析  88-89
  5.5 被保护层消除突出危险性评价  89
  5.6 本章小结  89-91
6 结论与展望  91-93
  6.1 主要结论  91-92
  6.2 展望  92-93
参考文献  93-97
致谢  97-99
作者简介及读研期间主要科研成果  99

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿井大气 > 矿井瓦斯 > 瓦斯抽放
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