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《中国矿业大学》 2016年
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穿层钻孔周围应力变化特征及其对瓦斯抽采的影响

王宁博  
【摘要】:煤与瓦斯突出是煤矿安全生产亟待解决的问题,煤与瓦斯突出事故常发生在突出煤层煤巷掘进过程中。我国具备开采保护层条件的矿井少,钻孔预抽煤层瓦斯逐渐成为防治煤与瓦斯突出事故的主要技术手段;同时,对于低透气性、高瓦斯煤层来说,常规预抽方法效果不突出,提高煤层瓦斯预抽效果的突破点在于钻孔的布置参数及方式。目前,在解决低透气性煤层突出问题方面主要是采用水力化钻孔和普通钻孔相结合的方式来达到卸载压力、增加煤层透气性的目的。因此,研究钻孔周围应力变化特性有助于钻孔的优化设计,对统筹矿井生产格局、缓解采掘压力及促进煤与瓦斯共采具有重大意义。本文采用物理实验、数值模拟、理论分析和现场工业试验等方法,开展了钻孔直径、钻孔倾角、预抽时间、抽放负压等与钻孔周围应力分布和抽采影响半径之间关系的研究,以期达到指导优化钻孔布置的目的。主要研究成果如下:⑴研究了钻孔直径、煤层强度、初始应力、倾角对钻孔周围应力变化的影响。钻孔直径的增大会引起煤层内部卸压范围的增大,应力集中区会向煤层深部转移;相同位置处,强度小的煤层卸压程度高,钻孔周围应力集中区的应力值与初始应力相比增加程度大,而强度大的煤层恰恰相反;初始应力值越大,钻孔垂直方向上的卸压范围越大,卸压程度越高,但在水平方向上的应力集中程度也会越大。⑵研究了钻孔倾角、直径、预抽时间、抽放负压与钻孔抽采影响半径的关系。钻孔倾角的增大会引起钻孔瓦斯抽采影响半径先减小后增大,在倾角75°、90°时达到最小;随着钻孔直径的增大,钻孔的抽采影响半径也增大,但增加幅度呈减小趋势,最终稳定不变;钻孔抽采影响半径与预抽时间和抽采负压的关系表现出相似趋势;割缝钻孔的影响半径为普通钻孔的4倍以上,且割缝钻孔的卸压效果与割缝圆盘的方向有直接关系。⑶理论分析了煤巷与底抽巷的空间位置关系,确定了两者的合理布置区域。从穿层钻孔倾角、底抽巷周围应力分布特点及煤巷和底抽巷垂距、平距间的相互关系三方面入手研究,结果表明:煤巷到底抽巷的距离应大于17m,底抽巷层位的选择能够影响其位置的确定,煤层倾角对底抽巷的位置选择有一定的影响;在此基础上,建立了钻孔长度的计算模型。上述研究成果对优化钻孔布置形式及参数、提高钻孔预抽煤层瓦斯增透效果等方面具有重要的理论和现实意义。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD712.6

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【参考文献】
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