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煤层瓦斯抽采中煤体破裂与气体渗流规律研究

张立强  
【摘要】:随着国内中东部矿井逐渐进入深部开采阶段,高瓦斯含量、低渗透性煤层的动力灾害治理问题日益突出。但在目前国内外研究中,尚无统一的数学模型对深部条件下瓦斯渗流规律进行描述。因此,本文采用实验研究和理论分析的手段,对标准煤样中瓦斯渗流规律、煤体力学性能以及钻进过程中煤体的破坏规律进行研究。基于实验结果,建立了煤层瓦斯抽采的双孔双渗耦合数学模型,并进行了数值求解。最后将所建立的数学模型应用到现场实际工程中,分别对侧向采动压力、煤层注水软化和聚能爆破等技术条件下瓦斯的抽采效率进行了模拟和分析,并与现场数据进行了对比。本文主要研究内容和成果如下:(1)开展了煤样气体渗流实验,研究了不同含水率、不同有效压力条件下,煤样力学参数与瓦斯渗流特征,得到了不同渗流条件下煤样的渗透率、单轴抗压强度和破坏形态的变化规律。(2)研究了钻进扰动下大尺寸煤岩样的变形、破坏及声发射规律。根据试样破坏特征的不同,将试样损伤分为初始钻进破坏、小范围钻进破坏和较大范围结构性破坏三个不同阶段,钻进实验的声发射规律反应了试样内微小裂隙汇集成较大裂隙的过程。(3)基于标准煤样气体渗流实验,在分析煤层中瓦斯渗流的气-固耦合现象基础上,建立了各向异性条件下煤层双孔渗透率模型,研究了裂隙不同方向变形对渗透率的影响,并将该模型与渗流数据、已有渗透率参考模型数值解进行对比,验证所建立渗透率模型的合理性。进一步建立起采动影响下瓦斯抽采效率数学模型、煤层注水影响下气-水两相渗流数学模型和聚能爆破作用下煤层断裂和瓦斯渗流数学模型,并进行了数值求解和验证。(4)对鹤壁三矿4102工作面侧向采动压力影响下瓦斯抽采效率进行了数值模拟研究。研究结果表明:在侧向采动压力影响下,抽采钻孔围岩的损伤破坏有助于提高煤层的渗透率,进而改善瓦斯的抽采效率;而在支承压力区内,地应力的集中降低了裂隙开度和该区域内渗透率,抑制了瓦斯的渗流,瓦斯抽采效率是煤层变形破坏和瓦斯解吸流动两者共同作用的结果。(5)利用所建立的数学模型对平煤十矿25010工作面煤层注水消除瓦斯涌出进行了模拟。结果表明:外界水的注入对煤层有软化、破坏两种作用结果。对于注水钻孔,自由水的流动对煤层软化、破坏作用明显,煤层渗透性的提高有助于瓦斯向钻孔和周围内消散;但当延伸至自由水润湿区,此时自由水封堵作用占据主导地位,并促使瓦斯由单一气相流动转变为气-水两相渗流,降低了游离瓦斯相对渗透率,减少了孔隙瓦斯向裂隙内扩散。(6)利用所建立的聚能爆破数学模型,对白坪矿掘进迎头瓦斯消突工程进行了模拟。在所建立模型中,对比了常规爆破和聚能爆破优缺点,研究了岩性变化、不同装药方式对煤层地应力分布、瓦斯压力和含量的影响。研究结果表明,聚能爆破作为一种新的煤层增透措施,可达到快速断裂煤层完整性的目的。爆破所产生的断裂、损伤区域可快速提升煤层渗透性,促进瓦斯快速向外界环境扩散。同时,爆破工艺可根据掘进面地质条件而动态调整,达到高效消除瓦斯灾害的目的。该论文中有图98幅,表35个,参考文献共134篇。


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