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极薄保护层钻采上覆突出煤层变形与透气性分布规律及在卸压瓦斯抽采中的应用

刘海波  
【摘要】: 本文在理论分析的基础上,利用相似材料模拟试验、数值模拟和现场试验相结合的研究方法,系统研究了极薄保护层钻采过程中上覆煤岩体移动变形、被保护煤层采动裂隙发育及分布特征、被保护煤层地应力变化及煤层顶底板变形、煤层透气性变化及分布、被保护煤层卸压瓦斯流动规律及在卸压瓦斯抽采中的应用,其研究成果对解决类似采矿地质条件下的煤与瓦斯突出防治及深部安全开采问题有重要实际意义。 研究表明,崔庙煤矿二1煤层具有强突出危险性,二1煤层消除突出危险性必须将瓦斯压力降至0.32MPa以下或者瓦斯含量降至8m3/t以下。针对崔庙煤矿特殊的采矿地质条件和二1煤层具有低透气性、高瓦斯和强突出危险性的特点,提出采用螺旋钻采煤机钻采极薄保护层一9煤层结合上覆二1煤层卸压瓦斯强化抽采的区域性瓦斯治理方法。 利用煤层采动瓦斯渗透性模拟试验台对极薄保护层钻采上覆被保护煤层地应力、煤层变形和煤层透气性变化及分布进行试验研究。结果表明,在极薄保护层钻采过程中上覆煤岩体产生整体弯曲下沉,没有冒落带和明显的断裂带。被保护煤层位于弯曲下沉带,由于采动作用在煤层中产生大量顺层张裂隙,被保护煤层与保护层之间没有形成明显的垂直连通裂隙。被保护煤层地应力大大降低,在充分卸压区实测煤层顶底板膨胀变形为10.5mm,相对变形为1.31‰。通过相似模拟试验验证了气体在煤层中的流动规律符合达西定律,并研究得出极薄保护层钻采前后被保护煤层透气性变化及分布特征。 数值模拟研究表明,被保护煤层在受保护区域地应力平均为3.4MPa,比原岩应力下降32%。在充分卸压区煤层顶底板膨胀变形为11mm,相对变形为1.4‰。随着保护层工作面向前钻采,被保护煤层顶底板变形呈现压缩、快速膨胀、膨胀变形减小到稳定的变化规律。同时研究表明,极薄保护层采高对被保护煤层的卸压膨胀变形有很大影响。 采用RFPA数值模拟软件对极薄保护层钻采上覆被保护煤层透气性变化和卸压瓦斯流动及瓦斯抽采规律进行模拟。研究表明,极薄保护层钻采后被保护煤层透气性急剧增大,比原始煤体透气性增大407倍。在煤层中形成了卸压瓦斯“解吸-扩散-渗流”的活化流动条件,卸压瓦斯在被保护煤层的顺层张裂隙中流动。同时研究表明瓦斯抽采穿层钻孔周围的瓦斯压力随极薄保护层工作面推进距离和抽采时间的增大而有明显降低。 现场试验研究表明,采用极薄保护层钻采结合卸压瓦斯强化抽采的区域性瓦斯治理方法后,在试验区二1煤层的瓦斯压力由0.75MPa降为0.15MPa,瓦斯含量由13m~3/t降为4.66m~3/t,煤层顶底板膨胀变形为12mm,相对变形为1.5‰,煤层的透气性系数由0.047m~2/MPa~2·d增加到18.928m2/MPa~2·d,提高了403倍,瓦斯抽采率达到64%,二1煤层已经全面消除煤与瓦斯突出危险。同时研究表明,理论分析、相似材料模拟试验、数值模拟和现场试验研究得到的结论具有很好的一致性。


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