高瓦斯厚煤层大断面巷道掘进关键参数优化与技术研究(1).pdf

分类号分类号TD745 TD745 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 高瓦斯高瓦斯厚煤层厚煤层大断面巷道掘进关大断面巷道掘进关 键参数优化与技术研究键参数优化与技术研究 李华程李华程 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臧传伟臧传伟 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年五月二零一六年五月 万方数据 论文题目论文题目 高瓦斯高瓦斯厚煤层厚煤层大断面巷道大断面巷道掘进关键参数掘进关键参数 优化与技术研究优化与技术研究 作者姓名作者姓名 李华程李华程 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 臧传伟臧传伟 职职 称称 副教授副教授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 3 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Optimization and technology research on the key parameters of large section roadway excavation in thick coal seam with large content A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Huacheng Supervisor Associate Professor Zang Chuanwei College of Mining and Safety Engineering May 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 交于其它任何学术机关作鉴定。交于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 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 在高瓦斯煤层中掘进大断面巷道，由于巷道围岩稳定性差和瓦斯涌出量大从而导致的 围岩垮塌和瓦斯突出等灾害，对巷道掘进施工造成很大的影响，因此降低煤层瓦斯含量和 控制厚煤层中大断面巷道围岩稳定性是提高高瓦斯巷道掘进速度的关键。目前高瓦斯巷道 采用瓦斯抽采的方法降低煤层瓦斯含量，然而，由于瓦斯抽采率较低，抽采技术不完善， 抽采的参数确定更多的依赖现场经验，在现场使用中存在较大的不足；同时由于大断面巷 道支护密度高、支护强度大、支护时间长，因此巷道支护方式和支护参数的科学确定也是 亟待解决的问题。由此本文以余吾煤矿的高瓦斯厚煤层大断面巷道围岩为研究对象，针对 其中的瓦斯抽采和巷道支护两方面的关键参数进行优化，形成相应的技术，以实现高瓦斯 大断面煤巷的安全快速施工，对指导高瓦斯厚煤层大断面巷道掘进具有重要的意义。 本文采用理论分析、数值模拟、现场试验的方法，针对目前余吾煤矿 S1205 胶带顺槽 瓦斯抽采和巷道支护展开研究。首先建立瓦斯流固耦合控制方程，在瓦斯流固耦合控制方 程的基础上运用多物理场耦合软件 COMSOL 对瓦斯抽采钻孔进行模拟， 并得到在单个抽采 孔不同参数下的抽采效果和多个抽采孔的合理抽采布置间距，并对现场的钻孔施工设备和 工艺进行优化，然后运用 FLAC3D 数值模拟软件对大断面巷道进行支护参数方案对比，得 到优化后的支护方式和参数，达到提高支护质量和支护速度的目的。 根据以上的研究成果，在余吾煤矿 S1205 胶带顺槽进行了现场试验，现场巷道围岩监 测和瓦斯抽采钻孔监测表明，抽采效果较之前的抽采效果提高，而且巷道支护效果较好， 减少的支护材料使用从而节约支护成本，提高了成巷速度，具有较大的经济效益，为类似 条件下煤层巷道提供了有益的借鉴。 关键词关键词高瓦斯厚煤层；大断面巷道掘进；瓦斯抽采参数优化；支护参数优化；流固 耦合 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT Abstract In high gas coal seam excavation of large cross section tunnel, due to the poor stability of surrounding rock of roadway and gas emission large resulting in the surrounding rock and gas outburst disaster collapsed. On tunnel construction caused great impact, so as to reduce the gas content in coal seam and thick coal seam large section roadway surrounding rock stability control is the key to improve the high gassy roadway excavation rate. The high gas tunnel with gas drainage s reduce the coal seam gas content, however, because of the gas drainage rate lower, pumping production technology is not perfect, pumping parameters of feed determine rely more on field experience, used in the field of larger problems. At the same time, because of high density, strength support, support for a long time. Therefore, the roadway support and support scientific parameters determined and it is urgent to solve the problem of large section roadway supporting. In this paper, the more than my coal mine of high gas thick coal seam large section roadway surrounding rock as the research object, aiming at the gas pump mining and roadway supporting two key parameters are optimized, ing corresponding technology, to realize the rapid construction of the safety of high gas coal roadway with large section of which has important significance for guiding high gas thick coal seam large section roadway excavation.According to the extraction holes and the roadway support parameters in S1205 section transport drift of Yuwu coal mine, it used theoretical analysis, numerical simulation and field test to implement research in this paper. First of all, the porosity and permeability of coal or rock dynamic equations were derived theoretically. And then used a series of assumptions and Terzaghi Effective Stress Principle to establish the deation and control equation of coal and rock containing gas. And the gas flow and solid coupling control equation was deduced based on previous assumptions and the law of conservation. On the basis of the gas flow and solid coupling control equation, used multiple physical field coupling software COMSOL to simulate for the gas extraction drilling. And got the extraction effect under different parameters in a single extraction holes and the reasonable extraction arrangement spacing of several extraction holes. And also the drilling construction equipment and the process in the field was optimized. Later, optimized the roadway supporting parameters after extraction by FLAC3D. At the same time got 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT the optimized supporting parameters and achieved the goal of improve the support quality and speed. According to the research results above, it carried on the field test in S1205 section transport drift of Yuwu coal mine. The surrounding rock and the gas extraction drilling monitoring in the field showed that the extraction effect is improved than before. The support effect of roadway is good. And the reduction of support materials saved the support cost and improved the speed of roadway excavation. It has great economic benefits and provided the beneficial reference for the similar condition of coal seam roadway. Key words thick coal seam with high gas content; arge sectionl roadway excavation; parameter optimization of gas extraction ; support; flow and solid coupling 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 i 目目 录录 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................1 1.1 概述 .............................................................. 1 1.2 国内外研究概况 .................................................... 1 1.3 主要研究内容及技术路线 ............................................. 4 2 2 瓦斯抽采参数瓦斯抽采参数优化及技术研究优化及技术研究 ................................................................ 6 6 2.1 引言 .............................................................. 6 2.2 含瓦斯煤流固耦合模型 .............................................. 6 2.3 单个瓦斯抽放钻孔模拟 ............................................. 15 2.4 多个抽采钻孔抽放瓦斯模拟 ......................................... 25 2.5 瓦斯抽放钻孔设备与施工流程 ....................................... 28 2.6 小结 ............................................................. 30 3 3 大断面煤巷支护技术大断面煤巷支护技术 ................................................................................3131 3.1 引言 ............................................................. 31 3.2 S1205 胶顺原支护方案与问题 ........................................ 31 3.3 大断面巷道支护方案的数值模拟 ..................................... 33 3.4 巷道机械化支护体系 ............................................... 51 3.5 小结 ............................................................. 55 4 4 现场试验及监测分析现场试验及监测分析 ..............................................................................5656 4.1 试验巷道地质条件 ................................................. 56 4.2 现场监测方案 ..................................................... 56 4.3 观测结果分析 ..................................................... 60 4.4 小结 ............................................................. 66 5 5 结论结论与展望与展望 ................................................................................................6767 5.1 主要结论 ......................................................... 67 5.2 创新点 ........................................................... 68 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 ii 5.3 展望 ............................................................. 68 参考文献参考文献 ......................................................................................................6969 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ..............................................................................7373 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents i Contents 1 Introduction.1 1.1 Summary.....1 1.2 Research status at home and abroad.......1 1.3 Main research contents and technical route....4 2 Parameter optimization and technology research of gas drainage hole.........6 2.1 Introduction......6 2.2 The establishment of mathematical model of coal body containing gas fluid-solid coupling6 2.3 The simulation of gas drainage with single borehole15 2.4 The simulation of gas drainage with several borehole..24 2.5 The equipment and construction process of gas drainage hole.........27 2.6 Summary.......29 3 The support technology of high gas and soft coal roadway...31 3.1 Introduction...31 3.2 Scheme and problem of S1205 glue with original support...31 3.3 The numerical simulation of support of roadway with large section...33 3.4 The mechanized support system of roadway.........51 3.5 Summary........55 4 Field test and monitoring and control.....56 4.1 The geological conditions of test roadway.....56 4.2 Site monitoring program.........56 4.3 Result analys of observation.......60 4.4 Summary....66 5 Conclusions and prospects...67 5.1 Main conclusions...67 5.2 Innovative points...68 5.3 Prospects .......68 Reference..69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents ii Academic Achievements........................................................................................................73 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 概述概述 煤矿巷道承担着行人、通风、运输等任务，因此巷道对于煤矿的重要性自然不言而喻。 我国煤矿百分之八十八为井工开采，因此，煤矿井下需要开掘大量的巷道，保持围岩的稳 定和巷道的畅通对煤矿建设与安全生产具有十分重要的意义[1]，目前煤矿巷道支护主要采 用锚杆支护技术，总体上大大提高了巷道掘进效率和顶板安全性，但是在大断面煤层巷道 支护方式中支护密度高、支护时间长、支护耗材较多等因素一直制约着巷道的掘进速度和 掘进效益；而且在高瓦斯矿井中，瓦斯抽采孔的使用已经比较普遍，但瓦斯抽采孔的参数 确定过多的依赖经验，是瓦斯抽采率不高、抽放时间长，导致巷道掘进工作开展困难。由 此要提高高瓦斯大断面巷道的掘进速度，实现巷道掘进和实用安全，就要优先考虑瓦斯抽 采孔和巷道支护的问题，因此，本文将对这两项技术进行研究。 余吾煤矿是潞安集团主力生产矿井之一，本文将以余吾煤矿 S1205 胶带顺槽为工程背 景，S1205 胶带顺槽主掘的 3煤层透气性系数为 22 0.4178/mMPad，为低渗透煤层，抽采 时间较长，同时抽采完成后煤巷锚杆支护密度大，导致掘进速度慢，月进度仅为 252m。针 对这两个问题，本文将主要研究在该地质条件下的瓦斯抽采孔和巷道支护密度的问题。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 1.2.1 瓦斯抽放研究发展及现状瓦斯抽放研究发展及现状 瓦斯抽采孔抽采瓦斯的方法，按抽采瓦斯的区域分为开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽 采和采空区瓦斯抽采这三类；按抽采瓦斯的机理条件可分为未卸压抽采和卸压抽采两类； 按瓦斯抽采汇集地点可分为钻孔抽采、巷道抽采和综合抽采等。到目前为止各国对于瓦斯 抽采技术又分为地面抽采和井下抽采两个大方面进行研究。 截止到目前世界上共计有 17 个国家在煤矿中进行了瓦斯抽采方面的技术研究。其中 英国、俄罗斯、德国都有着较早的瓦斯抽采历史，但是早期瓦斯抽采量都较小[2]。随着科 技研究的深入促进了瓦斯抽采技术的发展，自 1951 年以来，煤矿矿井的瓦斯抽采得到了 长足的发展，据相关数据统计资料显示1951 至 1987 年间，世界煤矿矿井的瓦斯抽采量 发展迅猛，1987 年瓦斯抽采量相对于 1951 年瓦斯抽采量增长了大约 40 倍。随着煤矿形 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 势的变化以及对清洁能源的需求的增加，世界各国的高瓦斯矿井都增大了瓦斯抽采力度。 其中2003 年美国的瓦斯抽采量已超过 450 亿 m3，2004 年的瓦斯抽采量产量更是达到 500 亿 m3。煤层气产量占气体能源总产量的 810，成为极其重要的清洁型能源。加拿 大也加大了对煤层气能源的重视，仅在 2002 至 2003 年期间就增加 1000 口左右的瓦斯抽 采生产井， 从而使煤层气年产量达到 5.1 亿 m3。截止至 2004 年瓦斯抽采生产井已达 2900 多口，煤层气的年产量比去年增加了大约 10 亿 m3。澳大利亚也是较早对瓦斯抽采技术研 究的国家之一，在 1987 至 1988 年采用地面钻井抽采的方法对富含瓦斯的煤层进行抽采。 到目前为止煤层气的勘探与生产已成为澳大利亚昆士兰的天然气工业的重要组成部分。现 在一部分欧洲国家如英国、德国等则对地面抽采进行较为深入的研究。对以上数据分析可 以清楚的看出，国外对于瓦斯抽采技术很重视并取得了较多的瓦斯抽采研究成果并实践， 瓦斯抽采量达到一个较高的水平。 我国瓦斯抽采技术虽然起步相对较晚但是随着科研力量的投入和重视程度的提高，在 近几年来技术和实践都有了很大程度的提高。我国瓦斯抽采技术的研究可以划分为四个阶 段一、高透气性煤层瓦斯抽采阶段；二、邻近层瓦斯卸压抽采阶段；三、低透气性煤层 强化抽采瓦斯阶段；四、综合瓦斯抽采阶段。我国地面钻井抽采瓦斯技术现在仍处于起步 的试验阶段，但效果不尽如人意，其中白沙矿区、抚顺矿区、焦作矿区和阳泉矿区等早在 20 世纪 70 年代就试验性的打了四十多个地面钻孔，采用一系列技术手段进行瓦斯抽采， 产气结果并不好[3]。 随着对瓦斯渗流规律研究的深入，国内外研究学者以此为基础对瓦斯抽采孔做了大量 的理论分析和现场应用。肖勤学[4]针对瓦斯渗流方程未考虑吸附瓦斯应力作用加入了瓦斯 的吸附作用，然后对瓦斯抽采孔进行耦合模拟分析得到了符合实际的模拟结果。周红星等 [5]通过建立瓦斯抽采孔周围煤体的瓦斯渗流模型，并使用数值模拟软件对改模型模拟运算 得到了计算瓦斯抽采孔有效抽采半径和抽采时间的关系；汪有刚等[6]以流固耦合为理论依 据使用计算机数值模拟分析瓦斯抽采孔在交叉和平行布置时的抽采效果，模拟结果得出交 叉的布孔方式抽采效果要好于平行布孔，抽采量提高 50左右。肖远见[7]以 darcy 定律为理 论基础推导除了瓦斯渗流控制方程，并使用模拟软件在三维条件下对沿层瓦斯抽采孔周边 的瓦斯压力进行了模拟分，论证了沿层瓦斯抽采孔可行性并提供了理论方面的依据。郭勇 义、王晓亮等[8]根据不同的瓦斯流动方式为基础，对在不同钻孔抽放半径、抽放负压以及 钻孔间距条件下瓦斯抽采孔抽采效果进行了分析。冯增朝[9]主要对低渗煤层的瓦斯抽采进 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 行了很多的理论分析，进一步讨论了水力割缝和埋深因素对瓦斯抽采的影响。姚尚文[10]主 要是对低渗高瓦斯掘进和回采工作面分析，通过数值模拟和理论分析的方法提出了深孔预 裂控制爆破配合长钻孔技术。汪有清[11]主要是运用源分析法并使用数值模拟软件对底抽巷 上向穿层钻孔抽采远程卸压瓦斯技术进行理论研究和分析，预测下保护层回采面的瓦斯涌 出量和分析被保护煤层底抽巷的布置位置。C.O.Karacan[12]主要是研究了平行瓦斯抽采孔对 长壁式采煤方法煤层瓦斯排放率的影响进行了理论分析。运用 FLAC 数值模拟软件对不同 布置形式的瓦斯抽采孔对煤层瓦斯压力变化进行模拟分析，通过理论与实践对不同布置形 式的瓦斯抽采孔对回采面瓦斯排放率影响醉了研究分析。L.D.Connell[13]在研究瓦斯抽采孔 时将煤体看作是各向异性介质，然后建立渗透率方程并以此研究瓦斯渗流规律，模拟并分 析了瓦斯抽采孔在抽采瓦斯时的瓦斯压力及煤体应力场的变化情况。 1.2.2 大断面大断面巷道巷道锚杆支护理论与技术锚杆支护理论与技术 目前，煤巷常用的支护方式为锚杆支护，根据巷道围岩类别的不同，支护方式又有锚 杆、金属网、钢带、钢筋梯、锚索等多种组合方式。从锚杆支护的应用效果来看，它很好 的加固了巷道围岩，提高了巷道围岩的承载能力，控制了巷道围岩变形，实现了巷道的稳 定，是一种安全、快速、经济的支护方式。煤巷的支护体系最初是以被动支护为主，强调 的是巷道围岩已失去了自稳能力需要采用刚性支架来抵抗巷道变形， 但是其支护成本较高， 支护工序较为复杂并且安全性不佳，由此巷道支护的体系发展到主动支护阶段，主动支护 主要是采用锚杆进行支护，以锚杆支护体系发展起来有三种理论，分别是悬吊理论、组合 梁理论和组合拱理论，最后发展出联合支护理论体系，锚杆支护具有使巷道围岩残余强度 提高，发挥出巷道围岩的自稳能力和提高巷道围岩自身强度，以锚杆支护为主的主动支护 大大降低了支护成本，减少了劳动强度。随着煤矿开采深度的增加，巷道断面面积逐渐增 大，又发展起来以高预应力锚杆为主的支护方式，高预应力锚杆由于施加预紧力从而使巷 道不稳定围岩可以更有效的形成一个整体，所以高预应力锚杆近几年迅速的在我国矿井大 面积的应用，如潞安集团、晋城煤业、淮南煤业、新汶矿区等地区，并取得了良好的支护 效果，逐渐发展成最广的锚杆支护方式[14-20]。 国外的煤矿早在 100 多年前就开始使用锚杆对矿井巷道进行支护。英国是最早使用锚 杆支护巷道的国家，而美国是从 1900 年之后才开始使用锚杆对巷道进行支护。经过近 40 年的发展，矿井的锚杆支护方式才开始大面积的使用。此后锚杆支护方式逐渐发展成熟， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 在矿井巷道，隧道工程等岩土工程中逐渐成为主要的支护方式 [21-30]。在 5060 年代，锚杆 支护的方式发展到以机械端部锚固的形式，但是其缺点是锚固力低、锚固力随着岩层的变 化会发生变化、 支护安全性差， 尤其是在松软岩层中应用很差。 为了改进这一缺点， 在 6070 年代成功研制了树脂锚杆并得到推广和应用。8090 年代，锚杆开始呈现多样化的发展同 时锚索的应用也开始增多。 随着二十世纪 90 年代高强度树脂锚杆的成功研制使锚杆支护技 术得到了长足的发展与推广，并逐步取代其他类型的锚杆成为主要采用的支护方式。在美 国、澳大利亚等国家由于煤层赋存条件与我国相比较好，因此大力推广和使用锚杆为主的 支护方式，因此这些国家的锚杆支护技术发展速度比我国快，并且形成了一套较完整的锚 杆支护体系。而欧洲的一部分产煤国家以前主要使用支架对巷道进行支护，但是随着巷道 逐渐加深，围岩稳定性不断变差，支护难度和支护成本都不断的增高，因此也逐步的将支 架支护方式变为以锚杆为主的支护方式上来。由此以锚杆为主的巷道支护理论体系建立起 来，并迅速在全世界范围内发展，到二十世纪 90 年代锚杆支护的方式已成为巷道支护的主 要手段。 我国的锚杆支护方式起步较晚，从 1956 年开始首先在岩巷中使用锚杆支护支护，随着 锚杆支护技术的成熟开始在煤矿巷道中使用，但是这期间锚杆的支护技术无论从哪方面都 不是特别的成熟，锚杆支护强度低，无法良好的控制巷道围岩变形，只能在少数的围岩条 件较好的巷道使用，导致煤矿巷道的锚杆支护技术发展十分缓慢。直到 90 年代末，国家将 煤矿巷道的锚杆支护技术列为重点科技攻关项目，在此期间完成了一批高水平的研究课题 [31-33]，并且在矿区的应用效果较好，