本文關(guān)鍵詞：近距離低滲煤層群多重采動影響下煤巖破斷與瓦斯流動規(guī)律及抽采研究

  更多相關(guān)文章： 近距離煤層群 多重采動 裂隙場 瓦斯運(yùn)移 數(shù)值模擬

【摘要】：保護(hù)層開采是治理煤與瓦斯突出、提高煤礦井下瓦斯抽采效率的最有效的區(qū)域性措施,目前我國對保護(hù)層開采過程中覆巖移動、應(yīng)力分布、裂隙場演化、瓦斯在煤巖體及裂隙場中運(yùn)移流動規(guī)律以及保護(hù)層對被保護(hù)層的卸壓作用等有了較多研究,但對多個鄰近煤層開采的卸壓效應(yīng)、裂隙場演化及瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律的研究較少。在保護(hù)層開采后,后續(xù)煤層開采過程中,應(yīng)力分布、變形、裂隙發(fā)育、瓦斯運(yùn)移規(guī)律等的研究報道較少。本文針對近距離煤層群多重開采過程中卸壓瓦斯的運(yùn)移與覆巖裂隙演化過程的關(guān)系,開展多重采動影響下裂隙演化及瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究,是對現(xiàn)有的保護(hù)層開采卸壓基本理論的進(jìn)一步豐富和發(fā)展。本文在國內(nèi)外學(xué)者對采動裂隙演化及瓦斯流動規(guī)律研究成果的基礎(chǔ)上,開展了近距離煤層群多重采動應(yīng)力影響下裂隙場中的瓦斯?jié)B流規(guī)律研究,取得了以下成果:(1)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研得知川煤集團(tuán)白皎煤礦2461工作面及其下覆二煤層、三煤層等構(gòu)成近距離群賦存狀態(tài)。2461采煤工作面所處一煤層為無瓦斯突出危險性煤層,可作為保護(hù)煤層,二、三煤層為被保護(hù)層,因此,確定了以白皎礦作為主要研究對象。利用應(yīng)力解除法和基于Kaiser效應(yīng)的聲發(fā)射法對研究對象進(jìn)行原巖地應(yīng)力測定,確定其三維應(yīng)力狀態(tài),為后續(xù)的研究提供科學(xué)依據(jù)。(2)通過含瓦斯煤巖試件不同路徑下的加卸載三軸壓縮實(shí)驗(yàn),分析含瓦斯煤巖力學(xué)和滲流特性,并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了加卸載條件下煤巖試件滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系方程。(3)通過模擬工作面采動狀態(tài)下煤巖損傷斷裂與聲發(fā)射試驗(yàn)研究,模擬分析煤層采動后工作面煤巖裂紋擴(kuò)展的分形規(guī)律,建立了單軸壓力條件下預(yù)置凹槽煤巖體裂紋演化分形維數(shù)與軸向應(yīng)變關(guān)系方程,從方程可知,從加載初期到裂紋貫通過程中,煤體表面裂紋計(jì)盒維數(shù)與軸向應(yīng)變呈指數(shù)關(guān)系。(4)完成了基于量化GSI體系和Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體力學(xué)強(qiáng)度估算研究,獲得了考慮結(jié)構(gòu)面影響的煤層及覆巖巖體力學(xué)參數(shù),為后續(xù)的數(shù)值模擬和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。(5)應(yīng)用UDEC和FLAC3D數(shù)值軟件與相似材料物理模擬試驗(yàn)相結(jié)合,進(jìn)行了煤層開采覆巖應(yīng)力場及裂隙場演化規(guī)律研究;(6)結(jié)合UDEC數(shù)值模擬軟件獲得覆巖裂隙場的分布規(guī)律,運(yùn)用滲流力學(xué)、流體力學(xué)等理論,采用COMSOL模擬多煤層采動覆巖裂隙場中瓦斯運(yùn)移過程,研究了采動過程中涌出的瓦斯在采空區(qū)及其覆巖裂隙中的運(yùn)移和富集規(guī)律。(7)基于以上研究成果優(yōu)化了近距離煤層群采動影響下裂隙場卸壓瓦斯抽采技術(shù),并在現(xiàn)場經(jīng)行驗(yàn),證取得了顯著效果,有效提高了瓦斯抽采效率。
【關(guān)鍵詞】：近距離煤層群 多重采動 裂隙場 瓦斯運(yùn)移 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-19
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 含瓦斯煤巖力學(xué)特性研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 礦井瓦斯?jié)B流研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 煤層群開采的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.4 卸壓瓦斯抽采的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 研究內(nèi)容16-17
• 1.4 技術(shù)路線17-19
• 2 礦井概況及其原巖地應(yīng)力測定研究19-49
• 2.1 礦井概況19-25
• 2.1.1 煤層埋深對瓦斯賦存的影響20-22
• 2.1.2 瓦斯含量分布及預(yù)測22
• 2.1.3 瓦斯壓力分布及預(yù)測22-24
• 2.1.4 研究工作面概況24-25
• 2.2 基于KAISER效應(yīng)的地應(yīng)力測試研究25-35
• 2.2.1 利用Kaiser效應(yīng)測地應(yīng)力試驗(yàn)原理及過程25-30
• 2.2.2 巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測地應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果30-35
• 2.3 空芯包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測試研究35-46
• 2.3.1 應(yīng)力解除測量技術(shù)原理方法35-39
• 2.3.2 應(yīng)力計(jì)安裝使用中遇到的問題及對策39-41
• 2.3.3 定應(yīng)力的現(xiàn)場測定41-46
• 2.4 本章小結(jié)46-49
• 3 多煤層采動影響下含瓦斯煤巖力學(xué)性質(zhì)及滲透特性研究49-75
• 3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)過程描述49-52
• 3.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹49-50
• 3.1.2 試件的采集和制備50
• 3.1.3 試驗(yàn)步驟50-52
• 3.1.4 加卸載試驗(yàn)方法52
• 3.2 采動應(yīng)力條件下含瓦斯煤巖力學(xué)性質(zhì)研究52-60
• 3.2.1 不同瓦斯壓力加卸載原煤試件力學(xué)特性52-56
• 3.2.2 多煤層采動影響下不同初始圍壓加卸載煤巖試件力學(xué)特性研究56-60
• 3.3 采動應(yīng)力條件下含瓦斯煤巖滲透特性研究60-73
• 3.3.1 圍壓對含瓦斯煤巖滲透特性的影響60-62
• 3.3.2 瓦斯壓力對含瓦斯煤巖滲透特性的影響62-63
• 3.3.3 采動影響下含瓦斯煤巖滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系63-73
• 3.4 小結(jié)73-75
• 4 煤巖損傷破壞聲發(fā)射特性與裂紋演化分形特征研究75-93
• 4.1 巖石損傷、斷裂力學(xué)基本概念75
• 4.2 采動條件下煤巖損傷斷裂過程及其聲發(fā)射特性75-79
• 4.2.1 試驗(yàn)過程介紹75-76
• 4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析76-79
• 4.3 單軸壓縮條件下預(yù)置凹槽煤巖斷裂裂紋擴(kuò)展分形規(guī)律79-91
• 4.3.1 線彈性斷裂力學(xué)基本理論79-81
• 4.3.2 復(fù)合型裂紋斷裂準(zhǔn)則81-82
• 4.3.3 裂隙擴(kuò)展的分形描述的方法82-84
• 4.3.4 煤巖斷裂裂紋擴(kuò)展分形規(guī)律84-91
• 4.4 小結(jié)91-93
• 5 考慮結(jié)構(gòu)面影響的煤巖體強(qiáng)度評價方法及應(yīng)用93-107
• 5.1 巖體質(zhì)量評價方法93
• 5.2 GSI系統(tǒng)巖體力學(xué)參數(shù)的估計(jì)93-99
• 5.2.1 巖體GSI值的量化94-95
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)面表面特征等級SCR的取值95-96
• 5.2.3 巖體結(jié)構(gòu)等級SR的取值96
• 5.2.4 巖體變形模量的估算96-98
• 5.2.5 Hoek-Brown和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化98-99
• 5.3 鉆孔成像技術(shù)在GSI量化中的應(yīng)用99-105
• 5.3.1 鉆孔成像系統(tǒng)99-100
• 5.3.2 鉆孔成像考察巖體結(jié)構(gòu)面特征原理100-103
• 5.3.3 鉆孔成像在判斷巖體結(jié)構(gòu)特征和結(jié)構(gòu)面表面特征中的應(yīng)用103-105
• 5.4 結(jié)論105-107
• 6 近距離煤層群多重采動應(yīng)力場與裂隙場演化規(guī)律107-145
• 6.1 煤層群多重采動影響下圍巖應(yīng)力分布與損傷狀態(tài)分析107-116
• 6.1.1 煤層采動影響下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律107-108
• 6.1.2 保護(hù)層開采圍巖卸壓效應(yīng)108-113
• 6.1.3 煤層開采保護(hù)層底板損傷狀態(tài)113-116
• 6.2 煤層群多重采動影響下圍巖應(yīng)力及巖層移動規(guī)律的數(shù)值模擬研究116-134
• 6.2.1 力學(xué)模型116-117
• 6.2.2 模型的建立117-119
• 6.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析119-134
• 6.3 基于三維激光掃描技術(shù)的近距離煤層群采動覆巖裂隙分布及演化相似模擬試驗(yàn)研究134-143
• 6.3.1 相似模擬幾何模型及相似條件的確定134-135
• 6.3.2 測量方法135-136
• 6.3.3 多煤層采動影響下覆巖移動和裂隙分布規(guī)律136-143
• 6.4 小結(jié)143-145
• 7 低滲煤層群裂隙場中瓦斯?jié)B流規(guī)律及抽采145-181
• 7.1 煤層群多重采動裂隙場中瓦斯來源及瓦斯涌出量分析145-147
• 7.2 采動裂隙場中卸壓瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)模型147-151
• 7.2.1 孔隙率與滲透率耦合控制方程147-149
• 7.2.2 采動覆巖裂隙場卸壓瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)模型149-151
• 7.3 近距離煤層多重采動裂隙場中瓦斯運(yùn)移的數(shù)值模擬研究151-165
• 7.3.1 數(shù)值模擬軟件簡介151-152
• 7.3.2 近距離煤層群多重采動裂隙場的分布形態(tài)的數(shù)值模擬152-157
• 7.3.3 近距離煤層群多重采動裂隙場內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究157-165
• 7.4 采動裂隙場內(nèi)應(yīng)力、裂隙與瓦斯流動耦合機(jī)理研究165-174
• 7.4.1 煤巖體采動應(yīng)力與瓦斯流動的耦合機(jī)理165-167
• 7.4.2 采動中裂隙煤巖體應(yīng)力與瓦斯流動演化規(guī)律現(xiàn)場驗(yàn)證167-174
• 7.5 近距離煤層群裂隙場卸壓瓦斯抽采及現(xiàn)場應(yīng)用174-179
• 7.5.1 保護(hù)層開采對被保護(hù)層卸壓增透瓦斯抽采技術(shù)174-176
• 7.5.2 保護(hù)層開采裂隙場卸壓瓦斯抽采技術(shù)在白皎煤礦的應(yīng)用176-179
• 7.6 結(jié)論179-181
• 8 主要結(jié)論與展望181-185
• 8.1 本文的研究成果及結(jié)論181-183
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)183-184
• 8.3 后續(xù)研究工作及展望184-185
• 致謝185-187
• 參考文獻(xiàn)187-201
• 附錄201-202
• A. 作者攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目201
• B. 作者發(fā)表論文情況201-202
• C. 作者在攻博期間所獲專利情況202
• D. 作者在攻讀博士學(xué)位期間所獲獎勵202

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本文編號：892703