煤层注水预防冲击地压基础研究.pdf

分类号分类号TD3TD32424 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 煤层注水预防冲击地压煤层注水预防冲击地压基础基础研究研究 杨柱龙杨柱龙 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 谭谭 云云 亮亮 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 国家自然科学基金项目51274133，51174129，51474137 高等学校博士学科点专向科研基金20123718110013 山东省自然科学基金重点项目ZR2012EEZ002 论文题目论文题目 煤层注水预防冲击地压煤层注水预防冲击地压基础基础研究研究 作者姓名作者姓名杨杨 柱柱 龙龙 入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 臧臧 传传 伟伟 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 4 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 BSSICRESEARCHOF COAL SEAM WATER INJECTION TO PREVENT IMPACT GROUND PRESSURE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Yang Zhulong Supervisor Professor Tan Yunliang College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士论文 摘要 摘要摘要 煤层注水能够改变煤体的物理力学性质、软化煤体，从而减小煤层的冲击倾向性。 长沟峪煤矿 15 槽埋深约为 810m，深部开采应力集中比较严重，在一定的开采条件下， 有发生冲击地压危险的可能性。本文综合运用理论分析、实验研究、数值模拟和现场工 业试验相结合的方法进行煤层注水预防冲击地压的研究，主要开展以下工作 （1）从煤层裂隙、水在煤体中的运移两个方面分析煤层注水渗流机理，分析注水前 后钻孔的应力状态以及注水对煤体软化、弹性应变能聚积的影响。 （2）测定注水煤层煤样的自然含水率、吸水率、孔隙率及坚固性系数等物理力学参 数，分析 15 槽煤的可注性，并且测试不同含水率下煤样的冲击倾向性，分析不同含水率 与冲击倾向性指标的关系，为现场试验注水参数的确定及数值模拟提供依据。 （3）研究煤层注水渗流场与变形场的耦合作用机理，建立流固耦合数学模型，为注 水渗流规律数值模拟提供理论基础；运用数值模拟软件模拟耦合作用下改变注水压力和 时间对煤层孔隙压力场、速度场及钻孔周围煤体渗透率的变化规律，为煤层注水现场工 艺参数的确定提供依据。 （4）以长沟峪煤矿-140m 水平北二北 15 槽二壁为对象进行注水现场试验，结合数 值模拟结果，对煤层注水工艺参数进行设计和应用。利用钻屑法检测注水前后工作面煤 体水分增量、钻屑量，分析实施注水试验后的卸压效果，验证实验研究及数值模拟结果， 确定最终注水参数。 关键词关键词冲击地压；渗流规律；煤层注水；流固耦合；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士论文 Abstract ABSTRACT Coal seam water injection can soften and change physical and mechanical properties of coal, thereby reduce the impact tendency of coal seam. Changgouyu coal mine 15 groove has a depth of 810m, the stress concentration is more serious in some mining conditions, there is a possibility of rockburst. The paper uses theoretical analysis, experimental study, numerical simulation and field test are combined to study the coal seam water injection to prevent rockburst, the main work will be carried out as following （1）Pore structure and water movement in coal illustrated the mechanism of water injection, analysis of percolation mechanism of coal seam water injection and water before and after drilling should stress,injection of coal softening and effect of elastic strain energy accumulation. （2）Determination of natural water content, water absorption, porosity and consistent coefficient of physical and mechanical parameters of coal samples , analysis of 15 coal seam can note, and test the impact tendency of coal samples under different moisture content, analysis the relationship between different moisture content and rockburst tendency index, provide a basis for water injection parameters of field test and numerical simulation. （3）In order to provide theoretical for water seepage numerical simulation,research the coal seam water infusion of seepage field and deation field of the coupling mechanism, establish model of fluid solid coupled mathematical. Using numerical simulation software coupling simulation the change of different injection pressure and time of coal pore pressure field, velocity field and drilling around coal body permeability variation, in order to provide the basis for the determination of parameter of coal seam injection site. （4）In two North Changgouyu coal mine -140m level 15 North wall as the object of the water tank two field test, combined with the results of numerical simulation for the design and application of coal seam water injection parameters. The of drilling bits was detected before and after water injection coal moisture increment, the drilling quantity ,analysising the effect of pressure relief after the implementation of water injection , verifing experimental research and numerical simulation results and determine the injection parameters finally. Key words rock burst;seepage law; water infusion;fluid-solid coupling;numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士论文论 目录 I 目目 录录 1 绪论绪论 .............................................................................................................1 1.1 课题研究背景及意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................ 1 1.3 主要研究内容与方法 .................................................................................................... 7 1.4 研究的技术路线 ............................................................................................................ 8 2 煤层注水煤层注水防冲基础防冲基础 ......................................................................................9 2.1 煤层中的裂隙-孔隙特性 .............................................................................................. 9 2.2 水在煤中的运移规律 .................................................................................................. 11 2.3 煤层注水预防冲击地压机理 ...................................................................................... 14 2.4 本章小节 ...................................................................................................................... 18 3 注水改变煤体物理力学性质实验研究注水改变煤体物理力学性质实验研究 ......................................................19 3.1 煤样的制备 .................................................................................................................. 19 3.2 15 槽煤可注性分析 ..................................................................................................... 20 3.3 煤样冲击倾向性测定 .................................................................................................. 23 3.4 本章小节 ...................................................................................................................... 31 4 煤层注水数值模拟分析煤层注水数值模拟分析 .............................................................................32 4.1 煤层注水流固耦合作用原理 ...................................................................................... 32 4.2 煤层注水流固耦合数学方程 ...................................................................................... 33 4.3 流固耦合数值模型的建立 .......................................................................................... 39 4.4 模拟结果分析 .............................................................................................................. 41 4.5 本章小节 ...................................................................................................................... 49 5.煤层注水防冲现场试验煤层注水防冲现场试验 .............................................................................49 5.1 试验地点概况 .............................................................................................................. 50 5.2 煤层注水工艺 .............................................................................................................. 52 5.3 注水效果分析 .............................................................................................................. 55 5.4 本章小节 ...................................................................................................................... 60 万方数据 山东科技大学硕士论文论 目录 II 6 主要结论及展望主要结论及展望 ........................................................................................62 6.1 主要结论 ...................................................................................................................... 62 6.2 创新点 .......................................................................................................................... 63 6.3 展望 .............................................................................................................................. 64 致谢致谢 ..............................................................................................................65 参考文献参考文献 ......................................................................................................66 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ................................................................................70 万方数据 山东科技大学硕士论文论 Contents III Contents 1Introduction .................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance of the Research ......................................................................... 1 1.2 Research Status of Home and Abroad .................................................................................... 1 1.3 Main Research Contents and s ................................................................................... 7 1.4 Technical Routes ................................................................................................................. 8 2 Coal Seam Water Injection Pressure foundation bump ..................................................... 9 2.1 Seam Fracture - pore Structure Characteristics ........................................................................ 9 2.2 The migration law of Water in Seam ..................................................................................... 11 2.3 Coal Seam Injection Pressure bump Prevention Mechanism ....................................................14 2.4 Brief Summary ..................................................................................................................18 3 Coal Experiment study of mechanical properties change of Injection............................ 19 3.1 Preparation of coal sample ..................................................................................................19 3.2 15Groove Coal inject Analysis .............................................................................................20 3.3 Determination of the Impact Tendency of coal sample ............................................................23 3.4 Brief Summary ..................................................................................................................31 4 Numerical Simulation of Coal Seam Injection Analysis ................................................... 32 4.1 The solid coupling principle of coal injection.........................................................................32 4.2 Coal injection flow solid coupling mathematical equations ......................................................33 4.3 Establishing fluid-solid coupled numerical model...................................................................39 4.4 Simulation Analysis............................................................................................................41 4.5 Brief Summary ..................................................................................................................49 5. Coal Seam Water Injection pressure bump Field Test ..................................................... 49 5.1 Project profile of Test site....................................................................................................50 5.2 Seam Infusion Process ........................................................................................................52 5.3 Effect of Water Infusion Analysis .........................................................................................55 5.4 Brief Summary ..................................................................................................................60 6Main Conclusions and Prospects ......................................................................................... 62 万方数据 山东科技大学硕士论文论 Contents IV 6.1 Main Conclusions ..............................................................................................................62 6.2 Innovation.........................................................................................................................63 6.3 Research Prospects.............................................................................................................64 Acknowledgements .................................................................................................................. 65 References................................................................................................................................. 66 Publications Master study period .......................................................................................... 70 万方数据 山东科技大学硕士论文论 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 煤炭是我国主要的储量，在国民经济发展过程中占有重要的地位，长期以来为国家 发展提供基础能源与化工原料，在一次能源消费结构中一直保持在 63以上。截至 2013 年底，我国已探明煤炭资源储量已达 1.48 万亿吨。2014 年我国煤炭产量 38.7 亿吨，随 着煤炭产量不断增加， 煤矿安全显得尤为突出。 据统计， 2014 年煤矿事故死亡人数达 931 人，可见煤矿安全是制约煤炭行业健康发展的一大难题[1]。 冲击地压是常见的发生煤矿开采过程中的动力灾害，是由于煤岩力学系统达到极限 强度时，弹性应变能积集在煤岩体中的以突然、急剧、猛烈的形式释放，在采场内发生 冲击性事故，造成煤岩体变形和毁坏，并大量的煤岩抛向采掘空间，造成支架与设备、 及人员的伤亡等[2]。冲击地压的可能引发次生灾害，如煤尘、瓦斯爆炸，矿井突水及火 灾等。由于冲击地压因其发生机理复杂，影响因素较多，无法预知及破坏性强而成为近 年来煤矿开采特别是深煤开采较为棘手的问题之一。 近年来随着我国煤矿开采深度增加较快并且以一定比例增长，开采条件复杂多变。 发生冲击地压概率加大、矿井数量增加，其突出特点是类型多样化、条件复杂化且事故 频发化，趋势不容乐观。由于冲击地压导致的严重后果，对其的防治是国内外专家学者 研究的重点与热点之一。目前防治解危措施主要有煤层注水、合理选择开采方法、大直 径钻孔卸压[3]、深孔松动爆破、加固软煤层[4]、巷道切槽卸压等。在采掘过程中运用煤 层注水软化煤体，增加煤体含水率，能有效改变其物理力学性质，不仅能有效防治冲击 地压，还能对煤与瓦斯突出、松软煤层的固结等有较好的预防作用。 海内外很多专家学者对煤层注水进行了广泛研究，取得了丰硕研究成果，注水相关 工艺设备也取得较大发展。 本文以长沟峪煤矿 15 槽为研究对象， 分析了煤层注水预防冲 击地压机理及基础，从实验角度说明煤层注水能降低煤层的冲击倾向性，并结合流固耦 合作用机理建立数学方程，运用数值模拟得出注水工艺参数，通过现场注水试验验证注 水效果，确定最终的注水工艺参数，确保煤矿安全生产。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.1 煤层注水技术国内外研究现状煤层注水技术国内外研究现状 万方数据 山东科技大学硕士论文论 绪论 2 煤体含水率的提高是煤层注水取得的最终效果。煤层注水预防煤矿灾害性事故（煤 尘、煤层自燃、冲击地压、等）一般是在煤层上设计一定数量的钻孔，通过钻孔将水注 入煤层内。 煤层注水技术的产生及发展史年代较为久远。十九世纪九十年代，德国的萨尔煤矿 首次运用煤层注水预防煤尘现场试验，取得效果较显著 [5]。由于注水在防尘方面取得较 显著的效果，煤层注水在世界主要产煤国得到了广泛的应用和发展，用来改善工人工作 环境。二十世纪五十年代开始，德国、英国、前苏联等主要产煤国对煤层注水进行了深 入