兴隆煤矿倾斜俯伪斜下保护层开采保护范围的研究.pdf

兴隆煤矿倾斜俯伪斜下保护层开采保护范围 的研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名丁 勇 指导教师王宏图 教 授 专 业采矿工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二〇一六年五月 万方数据 万方数据 Study on Protection Scope of Inclined Under-Protective Layer with Pseudo-Incline Technique for Xing Long Coal Mine A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Ding Yong Supervised by Prof. Wang Hongtu Specialty Mining Engineering College of Resource and Environment Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2016 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 以兴隆煤矿倾斜俯伪斜保护层开采工程实践为背景，采用实验室实验、数值 模拟及现场考察的方法研究了倾斜俯伪斜保护层开采条件下被保护层的保护范围 的划定方法。通过对不同方法所划定的保护范围进行对比分析，取得的研究成果 如下 ①通过进行兴隆煤矿 6煤层保护层工作面围岩的力学性质测定实验，测得了 6煤层工作面围岩力学特性参数。 ②通过进行 4煤层被保护层保护范围的现场考察实验，得到了 4煤层沿倾向 下边界的有效卸压角为 67.6、倾向上边界的有效卸压角为 91.4。 ③通过建立保护层开采过程中瓦斯越流的多场耦合模型，利用 COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对模型进行求解， 并根据残余瓦斯压力判别准则 （残 余瓦斯压力 P0.74MPa）划定了 4煤层沿倾向上边界的有效卸压角为 92.7、沿倾 向下边界的有效卸压角为 70.1、沿走向的有效卸压角为 62.1；同时，根据变形判 别准则煤层法向膨胀变形≥3‰划定的 4煤层沿倾向上边界的有效卸压角是 90.3、沿倾向下边界的有效卸压角是 68.5、沿走向的有效卸压角是 59.3。 ④通过将不同方法划定的结果和参考防治煤与瓦斯突出规定划定的结果 进行对比综合分析，确定了兴隆煤矿 6煤层采过后 4煤层沿走向的有效卸压角范 围是 59.3～62.1，兴隆煤矿 6煤层工作面采过后 4煤层沿倾向下边界的有效卸 压角范围是 67.6～70.1，兴隆煤矿 6煤层采过后 4煤层沿倾向上边界的有效卸压 角范围是 90.3～92.7。 关键词关键词倾斜煤层，下保护层，数值模拟，现场考察，保护范围 万方数据 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT Xing long coal mine inclined to dip oblique protective layer mining engineering practice as the background, using laboratory experiments and numerical simulation s to inspect research tilt range overlooking the protective layer is under the protection of the protective layer mining conditions Oblique delineation . Through the scope of different s delineated comparative analysis of the research results are as follows ①Experimental determination of mechanical properties by pering Xinglong Coal Seam 6 face with protective layer of rock, had measured 6 seam face surrounding rock mechanical parameters. ②4 seam is pered by a protective layer to inspect the scope of the experiment, obtained under 4 seam along the border tends to efficient relief angle of 67.6 , the tendency on the boundary of the effective relief angle of 91.4 . ③Through the establishment of multi-field coupling model of the protective layer of gas in the mining process flow, the use of COMSOL Multiphysics multiphysics software to solve the model, and according to the residual gas pressure criterion residual gas pressure P 0.74MPa delineated 4 the tendency efficient relief angle seam along the border is 92.7 , along the border tends to lower the effective relief angle of 70.1 , along strike effective relief angle of 62.1 ; at the same time, according to the deation criterion seam normal expansion and deation effective relief angle ≥3 ‰ delineated 4 seam along the border tends to be 90.3 , effective relief angle along the border tends to be 68.5 , along strike effective relief angle is 59.3 . ④The results are delineated by different s and reference “coal and gas outburst prevention regulations,“ the results were compared designated a comprehensive analysis to determine the effective relief angle range is booming coal mining coal mine after 6 4 seam along strike is 59.3 62.1 , effective relief angle range Xinglong Coal seam Face 6 4 seam mining under after tendency along the border is 67.6 70.1 , effectively discharge the booming coal mining coal mine after 6 4 seam along the border tends pressure angle range is 90.3 92.7 . 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV Keywords Inclined Seam,Under the protective layer, Numerical Simulation, Site visits, The scope of protection 万方数据 目 录 V 目 录 中文中文摘要摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出问题的提出 ............................................................................................................................... 1 1.2 研究目的及意义研究目的及意义 ....................................................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 2 1.3.1 保护层保护效果的研究现状 ................................................................................................ 2 1.3.2 保护范围研究方法的现状 .................................................................................................... 4 1.4 研究内容及技术路线研究内容及技术路线 ............................................................................................................... 5 1.4.1 研究内容 ............................................................................................................................. 5 1.4.2 技术路线 ............................................................................................................................. 6 2 煤岩力学性质的实验测定煤岩力学性质的实验测定 .............................................................................................. 9 2.1 实验目的实验目的 ................................................................................................................................... 9 2.2 实验内容实验内容 ................................................................................................................................... 9 2.2.1 实验设备的选取 .................................................................................................................. 9 2.2.2 试件取样 .............................................................................................................................. 9 2.2.3 实验测定的步骤 ................................................................................................................. 10 2.3 实验结果实验结果 ................................................................................................................................. 11 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 13 3 保护层开采多场耦合数值模拟研究保护层开采多场耦合数值模拟研究 ....................................................................... 15 3.1 概述概述 ......................................................................................................................................... 15 3.1.1 数值模拟的应用 ................................................................................................................ 15 3.1.2 数值模拟分析方法 ............................................................................................................. 16 3.2 数值模拟分析的数学模型数值模拟分析的数学模型 ..................................................................................................... 16 3.2.1 孔隙率的变化规律概况..................................................................................................... 16 3.2.2 煤层瓦斯渗流场的控制方程 ............................................................................................. 16 3.2.3 煤岩体的变形控制方程...................................................................................................... 19 3.3 4煤层保护范围的数值模拟过程煤层保护范围的数值模拟过程 .......................................................................................... 19 3.3.1 几何模型的建立 ................................................................................................................ 19 3.3.2 模型的边界条件 ................................................................................................................ 22 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 3.3.3 数值计算的基本参数 ........................................................................................................ 23 3.4 数值模型的工程验证数值模型的工程验证 ............................................................................................................. 24 3.5 4煤层保护范围的数值模拟结果煤层保护范围的数值模拟结果 .......................................................................................... 26 3.5.1 残余瓦斯压力判别准则确定的 4煤层卸压角 .................................................................. 26 3.5.2 变形判别准则确定的 4煤层的卸压角 ............................................................................. 32 3.5.3 两种划定结果的对比分析 ................................................................................................. 39 3.6 本章小结本章小结 .................................................................................................................................. 40 4 4煤层保护范围的现场考察实验煤层保护范围的现场考察实验 ............................................................................. 43 4.1 现场考察实验概述现场考察实验概述 ................................................................................................................. 43 4.2 实验区域概况实验区域概况 ......................................................................................................................... 43 4.2.1 矿井开采概况.................................................................................................................... 43 4.2.2 现场考察实验区概况 ........................................................................................................ 43 4.3 现场考察实验内容及考察布置现场考察实验内容及考察布置 ............................................................................................. 44 4.3.1 现场考察实验内容 ............................................................................................................ 44 4.3.2 现场考察钻孔布置概况 .................................................................................................... 45 4.4 现场考察实验参数的测定方法现场考察实验参数的测定方法 ............................................................................................. 48 4.4.1 煤层瓦斯压力的测定 ........................................................................................................ 48 4.4.2 钻孔自然瓦斯流量的测定 ................................................................................................. 49 4.4.3 煤层透气性系数的测定 .................................................................................................... 49 4.5 兴隆煤矿现场测定的结果及分析兴隆煤矿现场测定的结果及分析 ......................................................................................... 50 4.5.1 煤层瓦斯压力测定结果及分析 ......................................................................................... 50 4.5.2 钻孔瓦斯流量测定结果及分析 ......................................................................................... 53 4.5.3 6下保护层开采的保护效果分析 ...................................................................................... 55 4.6 现场考察的卸压角现场考察的卸压角 .................................................................................................................. 56 4.6.1 倾向方向上的卸压角 ......................................................................................................... 56 4.7 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 58 5 不同划定方法的结果对比及保护边界的确定不同划定方法的结果对比及保护边界的确定 ................................................. 59 5.1 保护范围的结果对比保护范围的结果对比 ............................................................................................................. 59 5.2 保护边界的划定与计算保护边界的划定与计算 .......................................................................................................... 61 5.2.1 4煤层沿走向的保护边界的划定与计算 ........................................................................... 61 5.2.2 4煤层沿倾向保护范围边界 .............................................................................................. 62 6 结论及展望结论及展望 ............................................................................................................................ 65 6.1 结论结论 ......................................................................................................................................... 65 6.2 展望展望 ......................................................................................................................................... 66 万方数据 目 录 VII 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 69 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 71 附附 录录 ....................................................................................................................................... 75 A .作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 ........................................................................ 75 B .作者在攻读硕士学位期间获得的奖励作者在攻读硕士学位期间获得的奖励................................................................................ 75 C .作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 ....................................................................... 75 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VIII 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出 煤炭产量和销量的增多，导致世界各国矿山的规模变大，浅部的煤炭将近采 完，深部煤炭在减少，导致可采煤层的赋存条件越来越复杂，发生的煤矿灾害事 故越来越多，特别是近年来世界上许多国家都出现了煤与瓦斯突出的事故，从文 献[1]可以得出我国煤矿发生的瓦斯灾害事故的次数越来越多了， 目前已经有数百座 煤矿发生了瓦斯突出事故，造成了大量设备的损坏和煤炭储量的大量损失，给国 家的资源造成了大量的浪费。因此必须采取措施来预防瓦斯突出，给矿山企业一 个安全的生产环境，从而使得煤炭的产量大大增加，煤矿的经济效益越来越好， 国家的能源危机才能解决。为了防止和治理煤与瓦斯突出事故，国家投入了大量 的人员和资金，鼓励和支持煤矿提高科技含量，购买先进的设备，引进先进的科 研人员。与此同时，国家鼓励和支持各开设了矿产资源开采的高校，从事矿山开 采的科研单位，加大力度研究瓦斯突出的防止和治理措施。为了达到治理瓦斯突 出的目的，煤矿企业和科研单位共同努力，共同开展研究课题。通过多年的努力， 各科研院校在瓦斯防突技术和管理方面上开展了大量的科学研究，发表了大量的 科技论文[2,3,4,5]和会议论文[6,7]，申请了大量的专利[8,9,10,11]，逐渐形成了防突体系， 煤矿企业应该派相关人员应该认真学习这一体系，用其来科学指导矿山企业的瓦 斯防治工作，各高校大学生也需要认真学习，掌握这一体系的核心内容，将来为 矿山的开采作出贡献，但是对于煤与瓦斯突出的研究工作不能终止，因为目前的 防突体系还不够健全，瓦斯灾害事故还大量存在，因此还需加大对煤与瓦斯突出 的研究工作。 通过多年的现场研究与验证，在防突措施体系中，开采保护层是目前比较好 的一种区域性防突措施，因为保护层开采这一防突措施具有经济，高效，安全等 特点，并且保护层开采所影响的区域比较大，影响的时间比较长，并且影响的区 域以后也不会具备瓦斯突出的可能性，因此当矿山企业需要采取防突措施的时候， 并且方便采取开采保护层时，可以优先考虑采用开采保护层这一防突措施。但是 保护层采过后影响的区域大小在每个矿山是不同的，因此对于保护层采过后其影 响区域的划定问题的研究课题由此提出。其中矿山企业和高校是最重要的研究主 体，各科研机构划定一个有效的保护层范围后，结合现场检验以后矿山企业就可 以在这个保护范围内进行安全的生产。对于保护层采过后其影响区域大小的划定 问题，历年来进行过很多方面的尝试，目前我国一般是参照防治煤与瓦斯突出 规定[12]来大致的确定保护范围，但是这个范围不能完全用来指导矿山企业的生 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 产，还需要对这个范围进行现场考察或者数值模拟，以使这范围更加的准确，更 能满足煤矿的实际开采。 本文将针对兴隆煤矿 6煤层采过后 4煤层的保护范围大小的确定问题进行深 入的研究，其中采用的研究方法有现场验证和 COMSOL Multiphysics 模拟两种。 1.2 研究目的及意义 通过分析兴隆煤矿的原始资料可知， 4煤层的瓦斯压力大，煤层的透气性不 高，并且煤层的赋存条件复杂，因此 4煤层发生煤与瓦斯突出的可能性很大，为 了给兴隆煤矿一个安全，高效的生产环境，预防瓦斯事故，兴隆煤矿决定采用开 采 6煤层这一区域性防突措施，因为 6煤层采过后，由于一系列的采掘影响，将 导致 4煤层的裂隙情况，地应力情况等会发生改变，因此 4煤层内某些区域内的 瓦斯参数情况将会发生很大的变化，为了确定这些瓦斯压力减小区域的范围的大 小，就成为了本文研究的目的。然而，这一影响区域范围大小的受到很多条件的 影响，并且这一区域的大小及范围又不能安全的按照其他矿山的经验确定。因为 每个矿山的赋存条件不同，因此这一影响区域大小的是不同的，特别是对煤矿赋 存条件复杂时，这一区域的确定难度更大。 对于保护层是倾斜的煤层，其采过后对被保护层的影响区域的确定难度比煤 层是水平或者缓倾斜的更加大，国内的对这一方面的研究还不是很多，因此本文 对兴隆煤矿 6煤层采过后 4煤层的卸压区域的研究将进一步的完善煤与瓦斯防突 体系。兴隆煤矿之前没有进行过保护层开采这一防突措施，因此本次研究将能很 好的指导兴隆煤矿的实际生产。 大部分煤矿在确定保护层采过后的影响范围时，大都是根据防治煤与瓦斯 突出规定[12]来划定大致的影响区域，但是划定的这个区域不能完全用来指导矿 山企业的生产。因此本文在建立了二维的平面几何模型