急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采的關鍵問題研究.pdf

1、開采保護層是有效防治煤與瓦斯突出的首選區(qū)域性防突措施。開采保護層的關鍵問題在于礦井被保護層的有效保護范圍的劃定和被保護層卸壓瓦斯的有效抽采。由于急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采卸壓規(guī)律的特殊性，使得傳統(tǒng)的參照《防治煤與瓦斯突出細則》所給出的參考值來劃定保護層開采保護范圍的方法，在急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采的應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)值計算相結合的

2、方法，研究了急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采保護范圍的判別準則和劃定方法；根據(jù)急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采保護范圍的現(xiàn)場考察結果，驗證了理論計算的合理性與可靠性；在此基礎上，基于保護層開采的“卸壓增透效應”，對研究區(qū)域的被保護層卸壓瓦斯抽采進行了優(yōu)化設計和效果監(jiān)測。本文的主要研究成果與結論有：
　　 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，且隨著煤體體積應力的增加而近似線性地減?。煌咚乖诿后w中的滲流具有顯著的Klinkenberg效應，且Klinkenberg系數(shù)與煤體的絕對滲透率呈顯著的冪函數(shù)關系、煤體的絕對滲透率與體積應力呈顯著的二次多項式函數(shù)關系。
　　 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；在此基礎上，針對研究區(qū)域被保護煤層，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提出了一種保護層開采保護范圍的極限瓦斯壓力判別準則，即被保護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層區(qū)域被判定為保護層開采的有效保護范圍。研究結果表明，該準則反映了應力、瓦斯壓力與煤的結構對煤與瓦斯突出的綜合作用。
　　 ④基于保護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，獲得了上保護層開采后被保護層的瓦斯壓力分布規(guī)律。研究結果表明，該模型反映了煤體有效應力的變化規(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流擴散的共同作用機制對被保護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則的保護層開采保護范圍的劃定方法，該方法能夠較好地反映實際保護層開采過程中的被保護煤層

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則和基于煤層變形判別準則的急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采的有效保護范圍。理論計算結果表明，基于極限瓦斯壓力判別準則的保護層開采保護范圍的劃定方法所得到的保護層工作面上部、中部和下部三個位置的走向卸壓角相差較小，且上保護層開采保護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則與基于變形判別準則所劃定的保護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層開采的現(xiàn)場考察試驗，確定了研究區(qū)域的保護層開采保護范圍的現(xiàn)場實測結果。試驗結果表明，被保護層的鉆孔瓦斯流量與瓦斯壓力，都隨著保護層工作面的向前推進經歷了兩次卸壓過程；保護層工作面傾向各處沿走向的卸壓保護角呈非均勻分布，其大小為43.5°～53.6°，保護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層開采保護范圍的理論計