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《重庆大学》 2016年
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近距离低渗煤层群多重采动影响下煤岩破断与瓦斯流动规律及抽采研究

齐消寒  
【摘要】:保护层开采是治理煤与瓦斯突出、提高煤矿井下瓦斯抽采效率的最有效的区域性措施,目前我国对保护层开采过程中覆岩移动、应力分布、裂隙场演化、瓦斯在煤岩体及裂隙场中运移流动规律以及保护层对被保护层的卸压作用等有了较多研究,但对多个邻近煤层开采的卸压效应、裂隙场演化及瓦斯运移富集规律的研究较少。在保护层开采后,后续煤层开采过程中,应力分布、变形、裂隙发育、瓦斯运移规律等的研究报道较少。本文针对近距离煤层群多重开采过程中卸压瓦斯的运移与覆岩裂隙演化过程的关系,开展多重采动影响下裂隙演化及瓦斯运移规律的研究,是对现有的保护层开采卸压基本理论的进一步丰富和发展。本文在国内外学者对采动裂隙演化及瓦斯流动规律研究成果的基础上,开展了近距离煤层群多重采动应力影响下裂隙场中的瓦斯渗流规律研究,取得了以下成果:(1)经过现场调研得知川煤集团白皎煤矿2461工作面及其下覆二煤层、三煤层等构成近距离群赋存状态。2461采煤工作面所处一煤层为无瓦斯突出危险性煤层,可作为保护煤层,二、三煤层为被保护层,因此,确定了以白皎矿作为主要研究对象。利用应力解除法和基于Kaiser效应的声发射法对研究对象进行原岩地应力测定,确定其三维应力状态,为后续的研究提供科学依据。(2)通过含瓦斯煤岩试件不同路径下的加卸载三轴压缩实验,分析含瓦斯煤岩力学和渗流特性,并在试验的基础上建立了加卸载条件下煤岩试件渗透率与体积应变的关系方程。(3)通过模拟工作面采动状态下煤岩损伤断裂与声发射试验研究,模拟分析煤层采动后工作面煤岩裂纹扩展的分形规律,建立了单轴压力条件下预置凹槽煤岩体裂纹演化分形维数与轴向应变关系方程,从方程可知,从加载初期到裂纹贯通过程中,煤体表面裂纹计盒维数与轴向应变呈指数关系。(4)完成了基于量化GSI体系和Hoek-Brown准则的岩体力学强度估算研究,获得了考虑结构面影响的煤层及覆岩岩体力学参数,为后续的数值模拟和相似材料模拟实验提供更加科学、准确的依据。(5)应用UDEC和FLAC3D数值软件与相似材料物理模拟试验相结合,进行了煤层开采覆岩应力场及裂隙场演化规律研究;(6)结合UDEC数值模拟软件获得覆岩裂隙场的分布规律,运用渗流力学、流体力学等理论,采用COMSOL模拟多煤层采动覆岩裂隙场中瓦斯运移过程,研究了采动过程中涌出的瓦斯在采空区及其覆岩裂隙中的运移和富集规律。(7)基于以上研究成果优化了近距离煤层群采动影响下裂隙场卸压瓦斯抽采技术,并在现场经行验,证取得了显著效果,有效提高了瓦斯抽采效率。
【关键词】:近距离煤层群 多重采动 裂隙场 瓦斯运移 数值模拟
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD712
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • 英文摘要5-11
  • 1 绪论11-19
  • 1.1 研究背景及意义11-12
  • 1.2 国内外研究现状12-16
  • 1.2.1 含瓦斯煤岩力学特性研究现状12-13
  • 1.2.2 矿井瓦斯渗流研究现状13-14
  • 1.2.3 煤层群开采的研究现状14-15
  • 1.2.4 卸压瓦斯抽采的研究现状15-16
  • 1.3 研究内容16-17
  • 1.4 技术路线17-19
  • 2 矿井概况及其原岩地应力测定研究19-49
  • 2.1 矿井概况19-25
  • 2.1.1 煤层埋深对瓦斯赋存的影响20-22
  • 2.1.2 瓦斯含量分布及预测22
  • 2.1.3 瓦斯压力分布及预测22-24
  • 2.1.4 研究工作面概况24-25
  • 2.2 基于KAISER效应的地应力测试研究25-35
  • 2.2.1 利用Kaiser效应测地应力试验原理及过程25-30
  • 2.2.2 岩石声发射Kaiser效应测地应力试验结果30-35
  • 2.3 空芯包体应力解除法地应力测试研究35-46
  • 2.3.1 应力解除测量技术原理方法35-39
  • 2.3.2 应力计安装使用中遇到的问题及对策39-41
  • 2.3.3 定应力的现场测定41-46
  • 2.4 本章小结46-49
  • 3 多煤层采动影响下含瓦斯煤岩力学性质及渗透特性研究49-75
  • 3.1 试验系统及试验过程描述49-52
  • 3.1.1 试验系统介绍49-50
  • 3.1.2 试件的采集和制备50
  • 3.1.3 试验步骤50-52
  • 3.1.4 加卸载试验方法52
  • 3.2 采动应力条件下含瓦斯煤岩力学性质研究52-60
  • 3.2.1 不同瓦斯压力加卸载原煤试件力学特性52-56
  • 3.2.2 多煤层采动影响下不同初始围压加卸载煤岩试件力学特性研究56-60
  • 3.3 采动应力条件下含瓦斯煤岩渗透特性研究60-73
  • 3.3.1 围压对含瓦斯煤岩渗透特性的影响60-62
  • 3.3.2 瓦斯压力对含瓦斯煤岩渗透特性的影响62-63
  • 3.3.3 采动影响下含瓦斯煤岩渗透率与体积应变的关系63-73
  • 3.4 小结73-75
  • 4 煤岩损伤破坏声发射特性与裂纹演化分形特征研究75-93
  • 4.1 岩石损伤、断裂力学基本概念75
  • 4.2 采动条件下煤岩损伤断裂过程及其声发射特性75-79
  • 4.2.1 试验过程介绍75-76
  • 4.2.2 试验结果分析76-79
  • 4.3 单轴压缩条件下预置凹槽煤岩断裂裂纹扩展分形规律79-91
  • 4.3.1 线弹性断裂力学基本理论79-81
  • 4.3.2 复合型裂纹断裂准则81-82
  • 4.3.3 裂隙扩展的分形描述的方法82-84
  • 4.3.4 煤岩断裂裂纹扩展分形规律84-91
  • 4.4 小结91-93
  • 5 考虑结构面影响的煤岩体强度评价方法及应用93-107
  • 5.1 岩体质量评价方法93
  • 5.2 GSI系统岩体力学参数的估计93-99
  • 5.2.1 岩体GSI值的量化94-95
  • 5.2.2 结构面表面特征等级SCR的取值95-96
  • 5.2.3 岩体结构等级SR的取值96
  • 5.2.4 岩体变形模量的估算96-98
  • 5.2.5 Hoek-Brown和Mohr-Coulomb准则转化98-99
  • 5.3 钻孔成像技术在GSI量化中的应用99-105
  • 5.3.1 钻孔成像系统99-100
  • 5.3.2 钻孔成像考察岩体结构面特征原理100-103
  • 5.3.3 钻孔成像在判断岩体结构特征和结构面表面特征中的应用103-105
  • 5.4 结论105-107
  • 6 近距离煤层群多重采动应力场与裂隙场演化规律107-145
  • 6.1 煤层群多重采动影响下围岩应力分布与损伤状态分析107-116
  • 6.1.1 煤层采动影响下围岩应力分布规律107-108
  • 6.1.2 保护层开采围岩卸压效应108-113
  • 6.1.3 煤层开采保护层底板损伤状态113-116
  • 6.2 煤层群多重采动影响下围岩应力及岩层移动规律的数值模拟研究116-134
  • 6.2.1 力学模型116-117
  • 6.2.2 模型的建立117-119
  • 6.2.3 数值模拟结果分析119-134
  • 6.3 基于三维激光扫描技术的近距离煤层群采动覆岩裂隙分布及演化相似模拟试验研究134-143
  • 6.3.1 相似模拟几何模型及相似条件的确定134-135
  • 6.3.2 测量方法135-136
  • 6.3.3 多煤层采动影响下覆岩移动和裂隙分布规律136-143
  • 6.4 小结143-145
  • 7 低渗煤层群裂隙场中瓦斯渗流规律及抽采145-181
  • 7.1 煤层群多重采动裂隙场中瓦斯来源及瓦斯涌出量分析145-147
  • 7.2 采动裂隙场中卸压瓦斯运移数学模型147-151
  • 7.2.1 孔隙率与渗透率耦合控制方程147-149
  • 7.2.2 采动覆岩裂隙场卸压瓦斯运移数学模型149-151
  • 7.3 近距离煤层多重采动裂隙场中瓦斯运移的数值模拟研究151-165
  • 7.3.1 数值模拟软件简介151-152
  • 7.3.2 近距离煤层群多重采动裂隙场的分布形态的数值模拟152-157
  • 7.3.3 近距离煤层群多重采动裂隙场内瓦斯运移规律的数值模拟研究157-165
  • 7.4 采动裂隙场内应力、裂隙与瓦斯流动耦合机理研究165-174
  • 7.4.1 煤岩体采动应力与瓦斯流动的耦合机理165-167
  • 7.4.2 采动中裂隙煤岩体应力与瓦斯流动演化规律现场验证167-174
  • 7.5 近距离煤层群裂隙场卸压瓦斯抽采及现场应用174-179
  • 7.5.1 保护层开采对被保护层卸压增透瓦斯抽采技术174-176
  • 7.5.2 保护层开采裂隙场卸压瓦斯抽采技术在白皎煤矿的应用176-179
  • 7.6 结论179-181
  • 8 主要结论与展望181-185
  • 8.1 本文的研究成果及结论181-183
  • 8.2 主要创新点183-184
  • 8.3 后续研究工作及展望184-185
  • 致谢185-187
  • 参考文献187-201
  • 附录201-202
  • A. 作者攻读博士学位期间参加的科研项目201
  • B. 作者发表论文情况201-202
  • C. 作者在攻博期间所获专利情况202
  • D. 作者在攻读博士学位期间所获奖励202

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