單一高瓦斯厚煤層下保護(hù)層開采卸壓特性及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究.pdf

1、結(jié)合保護(hù)層開采進(jìn)行卸壓瓦斯抽采是最合理有效的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)之一，在單一厚煤層開采礦區(qū)，由于無臨近煤層作為保護(hù)層，如何選擇合理的巖層作為保護(hù)層開采是在單一厚煤層開采過程中瓦斯治理的關(guān)鍵問題之一。本文以鶴壁礦區(qū)中泰公司下保護(hù)層開采為研究對(duì)象，結(jié)合關(guān)鍵層理論，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室研究、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，研究被保護(hù)層的裂隙發(fā)育規(guī)律、滲透特性和瓦斯運(yùn)移特征。取得的主要研究成果如下：
　　（1）結(jié)合鶴壁礦區(qū)單一高瓦斯低

2、滲透性厚煤層長期無保護(hù)層開采的地質(zhì)特點(diǎn)，提出了煤巖復(fù)合保護(hù)層開采區(qū)域瓦斯治理方法；理論計(jì)算得出，鶴壁中泰公司下保護(hù)層合理開采厚度1.5m，冒落帶最大高度為7.58m，裂隙帶高度為30.57～48.37m，保護(hù)層開采能有效增加二1煤層透氣性。
　　（2）保護(hù)層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律模擬研究表明，沿保護(hù)層工作面推進(jìn)方向上形成裂隙開啟區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙萎縮區(qū)和裂隙閉合區(qū)四個(gè)區(qū)域；被保護(hù)層處在保護(hù)層開采的裂隙帶上部或彎曲下沉帶下部，走

3、向卸壓角為70°，傾向上山卸壓角為55～64°，傾向下山卸壓角為68～78°，膨脹變形率最高達(dá)到26.37‰。
　　（3）基于煤的孔—裂隙雙重介質(zhì)物理模型，建立了考慮煤層有效應(yīng)力、吸附膨脹效應(yīng)和外載應(yīng)力共同控制下的煤體滲透率模型，得出保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層瓦斯?jié)B透率隨煤層應(yīng)力的變化規(guī)律。
　?。?）應(yīng)用“含瓦斯煤巖三軸伺服滲流”實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)煤樣進(jìn)行了含瓦斯條件下的不同圍壓滲透特性試驗(yàn)，研究了原煤煤樣在模擬地應(yīng)力場(chǎng)中的瓦斯?jié)B

4、流特性；實(shí)驗(yàn)表明，峰值破壞前，隨著煤樣膨脹變形增大，瓦斯?jié)B透率先減小，后緩慢增加，煤樣破裂后，煤樣中瓦斯?jié)B流通道數(shù)目增多，通道的橫截面積增大，瓦斯?jié)B透率急劇增大，瓦斯?jié)B透率與膨脹變形率的變化近似為線性關(guān)系。根據(jù)煤樣不同強(qiáng)度階段，將瓦斯透氣性分為穩(wěn)定吸附階段、滲流衰減階段、瓦斯?jié)B流緩增階段、滲流突增階段、滲流穩(wěn)增階段及滲流激增階段6個(gè)階段。
　?。?）基于流體力學(xué)和流固耦合力學(xué)理論，建立了氣固耦合滲透率動(dòng)態(tài)模型，運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合軟件

5、COMSOL Multiphysics，分析采動(dòng)卸壓與鉆孔抽采雙重條件下瓦斯流場(chǎng)變化特征與卸壓效果；結(jié)果表明，隨著保護(hù)層工作面不斷推進(jìn)，在采動(dòng)卸壓與鉆孔抽采（鉆場(chǎng)間距40m）雙重作用下，被保護(hù)煤層內(nèi)游離瓦斯以及解吸瓦斯不斷向采空區(qū)及鉆孔內(nèi)運(yùn)移，被保護(hù)層瓦斯壓力不斷降低，卸壓范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)工作面推進(jìn)到140m時(shí)，在卸壓與抽采雙重作用下，被保護(hù)層卸壓范圍內(nèi)瓦斯壓力基本降低到了突出壓力0.74MPa以下。
　?。?）現(xiàn)場(chǎng)巖層裂隙探測(cè)和

6、鉆孔窺視結(jié)果表明，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層最大膨脹率達(dá)到27.4‰；保護(hù)層卸壓影響范圍內(nèi)鉆孔多環(huán)向、軸—環(huán)向交錯(cuò)裂縫，部分地方孔壁破壞嚴(yán)重，淺部離層較為明顯，保護(hù)層卸壓影響范圍外鉆孔裂縫較少，多處孔壁光滑，說明保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層起到了很好的卸壓作用，被保護(hù)層煤層及其頂?shù)装辶严栋l(fā)育充分，有利于被保護(hù)層瓦斯運(yùn)移和瓦斯抽采。
　?。?）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯抽采參數(shù)結(jié)果表明，被保護(hù)層瓦斯抽采參數(shù)變化規(guī)律與保護(hù)層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相對(duì)應(yīng)，保護(hù)層工作面