急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的關(guān)鍵問題研究.pdf

1、開采保護(hù)層是有效防治煤與瓦斯突出的首選區(qū)域性防突措施。開采保護(hù)層的關(guān)鍵問題在于礦井被保護(hù)層的有效保護(hù)范圍的劃定和被保護(hù)層卸壓瓦斯的有效抽采。由于急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采卸壓規(guī)律的特殊性，使得傳統(tǒng)的參照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》所給出的參考值來劃定保護(hù)層開采保護(hù)范圍的方法，在急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的應(yīng)用中存在一定的局限性。對此，本文以東林煤礦急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采為工程研究背景，采用實驗研究、理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的

2、方法，研究了急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采保護(hù)范圍的判別準(zhǔn)則和劃定方法；根據(jù)急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采保護(hù)范圍的現(xiàn)場考察結(jié)果，驗證了理論計算的合理性與可靠性；在此基礎(chǔ)上，基于保護(hù)層開采的“卸壓增透效應(yīng)”，對研究區(qū)域的被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和效果監(jiān)測。本文的主要研究成果與結(jié)論有：
　　 ①通過研究區(qū)域周圍煤巖層的抗壓、抗拉和抗剪試驗，以及三軸應(yīng)力作用下低滲透突出煤體的瓦斯?jié)B流試驗，確定了研究區(qū)域周圍煤巖層的基本物理

3、力學(xué)參數(shù)和研究區(qū)域低滲透煤體的等效孔隙壓力系數(shù)與滲透率的動態(tài)變化規(guī)律。試驗研究結(jié)果表明，煤體的等效孔隙壓力系數(shù)隨著煤體的孔隙瓦斯壓力的增加而近似線性地增加，且隨著煤體體積應(yīng)力的增加而近似線性地減??；瓦斯在煤體中的滲流具有顯著的Klinkenberg效應(yīng)，且Klinkenberg系數(shù)與煤體的絕對滲透率呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系、煤體的絕對滲透率與體積應(yīng)力呈顯著的二次多項式函數(shù)關(guān)系。
　　 ②基于煤與瓦斯突出的失穩(wěn)理論，建立了有限變形下煤與

4、瓦斯突出的固氣動態(tài)耦合失穩(wěn)模型；在此基礎(chǔ)上，針對研究區(qū)域被保護(hù)煤層，通過模型求解得到了該煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的極限瓦斯壓力值。
　　 ③提出了一種保護(hù)層開采保護(hù)范圍的極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則，即被保護(hù)層的殘余瓦斯壓力值小于該煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的極限瓦斯壓力值的被保護(hù)層區(qū)域被判定為保護(hù)層開采的有效保護(hù)范圍。研究結(jié)果表明，該準(zhǔn)則反映了應(yīng)力、瓦斯壓力與煤的結(jié)構(gòu)對煤與瓦斯突出的綜合作用。
　　 ④基于保護(hù)層開采卸壓瓦斯的越流理論，

5、建立了急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的卸壓瓦斯越流的固氣動態(tài)耦合模型；通過模型求解，獲得了上保護(hù)層開采后被保護(hù)層的瓦斯壓力分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，該模型反映了煤體有效應(yīng)力的變化規(guī)律、煤層孔隙率與低滲透煤層滲透率的動態(tài)變化規(guī)律、煤層瓦斯解吸延時過程和煤層瓦斯?jié)B流擴(kuò)散的共同作用機(jī)制對被保護(hù)層卸壓瓦斯越流的影響。
　　 ⑤提出了基于極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則的保護(hù)層開采保護(hù)范圍的劃定方法，該方法能夠較好地反映實際保護(hù)層開采過程中的被保護(hù)煤層

6、的瓦斯越流和煤層變形情況；針對東林煤礦，劃定了基于極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則和基于煤層變形判別準(zhǔn)則的急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的有效保護(hù)范圍。理論計算結(jié)果表明，基于極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則的保護(hù)層開采保護(hù)范圍的劃定方法所得到的保護(hù)層工作面上部、中部和下部三個位置的走向卸壓角相差較小，且上保護(hù)層開采保護(hù)范圍的走向卸壓角從淺部往深部方向逐漸減小，大小為43.2°～40.7°；基于極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則與基于變形判別準(zhǔn)則所劃定的保護(hù)范圍卸壓角比較接近

7、，且后者所得到的卸壓角都要比前者小。
　　 ⑥通過開展東林煤礦急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的現(xiàn)場考察試驗，確定了研究區(qū)域的保護(hù)層開采保護(hù)范圍的現(xiàn)場實測結(jié)果。試驗結(jié)果表明，被保護(hù)層的鉆孔瓦斯流量與瓦斯壓力，都隨著保護(hù)層工作面的向前推進(jìn)經(jīng)歷了兩次卸壓過程；保護(hù)層工作面傾向各處沿走向的卸壓保護(hù)角呈非均勻分布，其大小為43.5°～53.6°，保護(hù)層工作面沿傾斜下山方向的卸壓角為78.7°；急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采保護(hù)范圍的理論計