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《中南大学》 2010年
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石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究

谢雄刚  
【摘要】: 煤与瓦斯突出是指在压力作用下,煤矿井下采掘过程中破碎的煤和瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出的一种动力现象。它是煤矿生产中所面临的一种主要的瓦斯灾害。 石门揭煤过程煤与瓦斯突出危险程度高、强度大。随着煤矿往深部开采,我国现有石门揭煤防突措施较难通过超前抽排放瓦斯达到减少煤层瓦斯含量和降低煤层瓦斯压力而有效防突。本论文针对我国现有防突技术的优缺点,根据石门揭煤过程煤与瓦斯突出机理、煤层注水工艺过程和人工土冻结技术应用实践,提出了石门揭煤注液冻结防突方法,在理论分析、实验研究和数值模拟的基础上,对该方法的理论基础和技术的可行性进行了深入研究,其主要研究内容和成果如下: (1)石门揭煤过程煤与瓦斯突出的动力能量主要由弹性应变能和瓦斯膨胀能组成。瓦斯突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能。根据煤与瓦斯突出能量平衡式,石门揭煤过程瓦斯突出发生与否主要取决于瓦斯突出动力源与突出消耗能在动态酝酿过程中能否保持平衡。瓦斯突出能量量变或者突变到某临界能量值,其大于瓦斯流突破裂隙角联通道所需的消耗能量,瓦斯突出就能瞬时或者延时发生; (2)石门揭煤工作面待揭的突出煤层注水冻结后,将从增加突出煤层瓦斯吸附量V、降低突出煤层瓦斯压力P、降低突出煤层瓦斯放散初速度△p、提高突出煤层力学性能、降低卸压区瓦斯突出危险性等方面有效防突; (3)用改造后的WY-98A吸附常数测定仪,首次获取了低温条件下(T≤0℃)煤的CH4吸附常数a、b值。通过数据拟合,当温度T≤0℃时,煤对CH4等温吸附曲线仍属于第Ⅰ类吸附等温线,可以用Langmuir方程来表征煤对CH4的低温吸附模型。由实验结果可知:不同温度时,同一煤样在相同压力下,吸附量与温度呈近似线性负相关关系,随温度降低,煤吸附甲烷能力提高; (4)通过注水冻结成型煤样的单轴抗压强度实验,发现其受压后变形分为四个阶段:压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段。随着冻结温度的降低,成型煤样的单轴抗压强度和弹性模量都明显增大;泊松比的变化不明显,但整体成减小趋势。冻结温度低于-20℃时,成型煤样的单轴抗压强度和弹性模量增加不明显; (5)通过水泥槽模型煤体冻结实验表明:冻结区形成以冻结管中心为圆心、半径为R沿径向随时间扩展的冻煤圆柱。随着冻结管不断的供冷,冻煤圆柱直径不断增加,冻煤圆柱内的温度逐步下降,槽中煤、瓦斯和水三相体最终变成坚硬冻结体,极大地提高了其抗压强度和弹性模量等力学性能。同一冻结时间,距离冻结管越近,煤体获得冷量越多,煤体温度越低; (6)应用东北大学气固耦合岩石破裂过程RFPA2D分析软件,建立了石门揭煤瓦斯突出过程气固耦合作用的数学模型,根据冻结区突出煤层物理力学性能参数,数值模拟了注液冻结后龙家山煤矿-400水平2号石门揭露不同温度的6冻结煤层过程。数值模拟表明:注液冻结后煤层温度下降到-15℃以下时,该石门揭煤工作面将不会发生煤与瓦斯突出; (7)应用ANSYS有限元程序,根据龙家山煤矿-400水平2号石门揭煤工作面施工参数,建立了冻结区温度场数值模拟计算模型,分析了不同时期冻结区温度扩展云图,得出不同冻结时间冻结区有效范围、平均温度、交圈时间及扩展速度。数值模拟表明:距离中心越近,冻结区煤层温度下降越快。把-15℃作为石门揭煤注液冻结防突工程煤层控制温度,该石门揭煤工作面大概需要35-40天冻结时间才能满足防突要求; (8)石门揭煤工作面待揭的突出煤层注水冻结后,将减少煤与瓦斯突出的瓦斯动力源,增加煤层抵抗瓦斯突出的阻力,从而有效防治石门揭煤过程煤与瓦斯突出。因此,结合本研究课题注液冻结法的特点和我国煤矿未来的开采深度,该方法可广泛应用于低透气性和深部开采的石门揭煤瓦斯突出工作面,这对减少我国煤矿瓦斯灾害事故具有重要的作用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD713

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【引证文献】
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【同被引文献】
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8 张军;;煤层区域突出危险程度的模糊数学分析[A];川、渝、滇、黔、桂煤炭学会2012年度学术年会(重庆部分)论文集[C];2012年
9 郭庆;李希宝;;优化设计钻孔在防突中的应用[A];矿山地质灾害成灾机理与防治技术研究与应用[C];2009年
10 陈昌敏;;突出煤层掘进过断层防突浅析[A];2010年度淮南矿业集团煤炭学会学术交流会论文汇编(一)·地质专业[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 马爱平;守护矿工生命 重振新疆煤层开发信心[N];科技日报;2018年
2 记者 丰硕 通讯员 徐长根;副省长说停采风险煤层[N];中国煤炭报;2009年
3 王璐瑶;我省探索地震法勘探地下煤层[N];贵州日报;2007年
4 石云华;贵州:地震法新技术精探地下煤层[N];中国国土资源报;2007年
5 连小强卢和举;将乐煤矿普查发现优质煤层[N];福建日报;2007年
6 李自良;云南西北发现煤层[N];中国矿业报;2001年
7 连小强 卢和举;福建将乐发现优质煤层[N];地质勘查导报;2007年
8 记者 于德福;准格尔煤层中大量伴生镓[N];地质勘查导报;2005年
9 本报记者 沈佳;地球做核磁 煤层看得清[N];山西日报;2018年
10 记者 朱丹;我省启动煤与瓦斯突出矿井安全“会诊”[N];云南日报;2018年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢雄刚;石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究[D];中南大学;2010年
2 张春华;石门揭突出煤层围岩力学特性模拟试验研究[D];安徽理工大学;2010年
3 孟筠青;煤层高压脉动注水防治煤与瓦斯突出理论与技术研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
4 覃道雄;极复杂条件下煤与瓦斯突出规律及综合治理技术[D];中国矿业大学(北京);2013年
5 杨兆彪;多煤层叠置条件下的煤层气成藏作用[D];中国矿业大学;2011年
6 王雅迪;煤与瓦斯突出时期矿井通风系统灾害演变研究[D];辽宁工程技术大学;2017年
7 闫孝姮;掘进工作面煤与瓦斯突出非线性动态预测研究[D];辽宁工程技术大学;2016年
8 王启飞;掘进巷道煤与瓦斯突出机理的应力演化过程研究[D];中国矿业大学(北京);2018年
9 温廷新;煤矿生产灾害预警与应急管理研究[D];辽宁工程技术大学;2016年
10 李慧;煤与瓦斯突出演化机制及消突工程应用研究[D];太原理工大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾方旭;高瓦斯低透煤层水力压裂石门揭煤技术与应用[D];安徽理工大学;2015年
2 黄辰;水射流割缝在近距离多煤层石门揭煤中的应用[D];重庆大学;2013年
3 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
4 赖仰林;化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤技术研究[D];中国矿业大学;2014年
5 陈二瑞;低透煤层水力压裂技术在石门揭煤中的应用[D];安徽理工大学;2016年
6 陈鲜展;立井揭突出煤层封孔测压及抽排技术研究[D];安徽理工大学;2009年
7 李运强;煤层潜在突出危险性评价技术的研究[D];中国地质大学(北京);2006年
8 朱亚;高瓦斯突出煤层水力湿润防突技术研究[D];安徽理工大学;2010年
9 王泽宁;煤层一维渗透失稳判别式建立及模拟试验[D];安徽理工大学;2017年
10 王利强;突出煤层水力径向压裂石门快速揭煤技术研究及应用[D];河南理工大学;2010年
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