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急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的关键问题研究

胡国忠  
【摘要】: 开采保护层是有效防治煤与瓦斯突出的首选区域性防突措施。开采保护层的关键问题在于矿井被保护层的有效保护范围的划定和被保护层卸压瓦斯的有效抽采。由于急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采卸压规律的特殊性,使得传统的参照《防治煤与瓦斯突出细则》所给出的参考值来划定保护层开采保护范围的方法,在急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的应用中存在一定的局限性。对此,本文以东林煤矿急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采为工程研究背景,采用实验研究、理论分析和数值计算相结合的方法,研究了急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采保护范围的判别准则和划定方法;根据急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采保护范围的现场考察结果,验证了理论计算的合理性与可靠性;在此基础上,基于保护层开采的“卸压增透效应”,对研究区域的被保护层卸压瓦斯抽采进行了优化设计和效果监测。本文的主要研究成果与结论有: ①通过研究区域周围煤岩层的抗压、抗拉和抗剪试验,以及三轴应力作用下低渗透突出煤体的瓦斯渗流试验,确定了研究区域周围煤岩层的基本物理力学参数和研究区域低渗透煤体的等效孔隙压力系数与渗透率的动态变化规律。试验研究结果表明,煤体的等效孔隙压力系数随着煤体的孔隙瓦斯压力的增加而近似线性地增加,且随着煤体体积应力的增加而近似线性地减小;瓦斯在煤体中的渗流具有显著的Klinkenberg效应,且Klinkenberg系数与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系、煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系。 ②基于煤与瓦斯突出的失稳理论,建立了有限变形下煤与瓦斯突出的固气动态耦合失稳模型;在此基础上,针对研究区域被保护煤层,通过模型求解得到了该煤层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值。 ③提出了一种保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则,即被保护层的残余瓦斯压力值小于该煤层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值的被保护层区域被判定为保护层开采的有效保护范围。研究结果表明,该准则反映了应力、瓦斯压力与煤的结构对煤与瓦斯突出的综合作用。 ④基于保护层开采卸压瓦斯的越流理论,建立了急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯越流的固气动态耦合模型;通过模型求解,获得了上保护层开采后被保护层的瓦斯压力分布规律。研究结果表明,该模型反映了煤体有效应力的变化规律、煤层孔隙率与低渗透煤层渗透率的动态变化规律、煤层瓦斯解吸延时过程和煤层瓦斯渗流扩散的共同作用机制对被保护层卸压瓦斯越流的影响。 ⑤提出了基于极限瓦斯压力判别准则的保护层开采保护范围的划定方法,该方法能够较好地反映实际保护层开采过程中的被保护煤层的瓦斯越流和煤层变形情况;针对东林煤矿,划定了基于极限瓦斯压力判别准则和基于煤层变形判别准则的急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的有效保护范围。理论计算结果表明,基于极限瓦斯压力判别准则的保护层开采保护范围的划定方法所得到的保护层工作面上部、中部和下部三个位置的走向卸压角相差较小,且上保护层开采保护范围的走向卸压角从浅部往深部方向逐渐减小,大小为43.2°~40.7°;基于极限瓦斯压力判别准则与基于变形判别准则所划定的保护范围卸压角比较接近,且后者所得到的卸压角都要比前者小。 ⑥通过开展东林煤矿急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的现场考察试验,确定了研究区域的保护层开采保护范围的现场实测结果。试验结果表明,被保护层的钻孔瓦斯流量与瓦斯压力,都随着保护层工作面的向前推进经历了两次卸压过程;保护层工作面倾向各处沿走向的卸压保护角呈非均匀分布,其大小为43.5°~53.6°,保护层工作面沿倾斜下山方向的卸压角为78.7°;急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采保护范围的理论计算结果与现场考察结果接近,且理论计算结果相对于现场考察结果偏于安全,这说明了本文所提出的理论计算方法是合理、可靠的。 ⑦提出了一种通过分析急倾斜多煤层俯伪斜上保护层开采的下伏卸压岩体移动特性及卸压瓦斯运移规律,并利用保护层开采的“卸压增透效应”,结合研究区域的实际情况,来确定被保护层卸压瓦斯的抽采布置参数的优化设计方法。卸压瓦斯抽采的监测结果表明,采用本文设计的卸压瓦斯抽采的优化布置参数使卸压瓦斯平均抽采率达到50%。


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