贺西煤矿近距离煤层开采瓦斯运移规律及抽采方法研究.pdf

硕士学位论文 贺西煤矿近距离煤层开采瓦斯运移规律 及抽采方法研究 The Gas Migration Law and Extraction of Close-distance Coal Seam Mining in Hexi Coalmine 作 者孟国栋 导 师程远平 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 中图分类号 TD7 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 贺西煤矿近距离煤层开采瓦斯运移规律及 抽采方法研究 The Gas Migration Law and Extraction of Close-distance Coal Seam Mining in Hexi Coalmine 作 者 孟国栋 导 师 程远平 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 安全工程学院 学科专业 安全技术及工程 研究方向 煤矿瓦斯防治 答辩委员会主席 蒋曙光 评 阅 人 王恩元 张彬 二○一四年五月 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 81 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文贺西煤矿近距离煤层开采瓦斯运移规律及抽采方法研 究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。 据我所知， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 孟国栋 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论 文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字 年 月 日 致致 谢谢 本论文是在程远平教授的悉心指导下完成的， 衷心感谢程老师对本论文自始 至终的悉心指导和对学生的亲切关怀。程老师对我的学习认真负责，对我的科研 要求严格，在我看来生活中的程老师就像慈爱的父亲一般，照顾着我这个身处异 地他乡的孩子，给了我亲人般的教导和关怀；学习中，他又是一位一丝不苟、严 于律己的严师，让我一直视为科研的榜样和学习的目标。从程老师那里，我学到 了一个科研工作者应该具备的素质和敬业精神。 这三年来我的每一次成功都是程 老师循循善诱、悉心教导的结果，从程老师那里我不仅学会了知识、端正了的科 研态度，更培养了科研人应该具备的素质，再一次感谢我的导师程远平老师 同时也要特别感谢一下中国矿业大学安全工程学院王海锋教授， 感谢您对我 学习和生活的悉心指导和教诲。本论文的完成还凝结着师兄弟们的智慧与情谊， 感谢中国矿业大学安全工程学院王亮副教授、周红星副教授、刘洪永副教授、李 伟讲师和蒋靖宇讲师对论文的指导和帮助 感谢中国矿业大学煤矿瓦斯治理研究 所博士生郭品坤、潘荣琨、安丰华、姜海纳、孔胜利、张晓磊、徐超、刘清泉、 卢守青等师兄师姐在论文撰写过程中给予的意见和帮助 感谢实验室同届同学陈明义、孟兆民、王伟、王飞、金侃在数值模拟和数据 处理方面给予的帮助和指导感谢硕士生刘亚庆、高杰、赵伟、李鑫、郭海军、 蒋雨辰、贾靳、滕广平等对我的无私帮助和生活中的关心照顾，使得我避免了很 多问题和困惑。感谢同宿舍的硕士生胡方坤、刘谦、成艳英对我的一路支持和帮 助，正是有你们一路的相伴，丰富了我的研究生生活更体会到了友谊的珍贵。特 别感谢河南理工大学赵红女士在论文撰写过程中给予的大力支持和无私的帮助。 感谢我的家人对我学业的支持和鼓励，你们给我创造了和睦又上进的氛围，我的 成绩有你们的功劳。 论文资料收集过程中得到汾西矿业集团贺西煤矿的领导及有关工程技术人 员的大力支持和帮助,在此向他们表示衷心感谢 同样感谢论文中所有参考文献的作者们，向你们致敬 感谢所有关心和帮助我的人，是他们给了我前进的力量 限于水平，论文中难免有不当和不足之处，恳请各位专家、教授给予指正。 最后衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文。 I 摘摘 要要 近距离上覆煤层开采过程中，下伏煤层应力重新分布，因发生破碎和断裂而 产生大量裂隙孔隙。大量解吸瓦斯随着漏风流涌入采空区，对上覆煤层开采构成 威胁。本文以贺西煤矿 3311 工作面地质条件为背景，综合运用理论分析、数值 模拟、现场试验等研究手段，研究采动围岩应力分布演化过程、不同通风方式及 抽采方法下瓦斯浓度及流场分布规律，并将 Y 型通风方式应用于工程实践，结 合瓦斯治理效果详细分析，为相似地质条件煤层开采提供参考。 贺西煤矿上覆煤层开采工作面（采高 2m）推进过程中，通过数值模拟得到 邻近煤岩体的垂直应力的变化情况。上覆煤层开采后，底板应力分布呈现压缩 卸压膨胀恢复的规律，并且随着工作面向前推进而循环出现。下伏煤层支撑应 力近似呈 M 型分布，上覆煤层开采范围达到 200m 时，卸压范围约为 120m，最 大垂直应力达到 33MPa，卸压区垂直应力为 1MPa，最佳卸压区域在上覆煤层采 空区下部。 下伏煤层最大相对膨胀变形量为 7.6‰， 平均相对膨胀变形量为 4.3‰。 根据贺西煤矿地质条件，针对不同通风方式模拟获得瓦斯分布及流场情况， 得出 U高抽巷型通风和 Y 型通风为合理的通风方式。依据工作面接替情况和地 质条件决定选用 Y 型通风方式。研究得出 Y 型通风在沿工作面倾向上，瓦斯浓 度先升高后降低，最高 0.5左右，瓦斯浓度最高处在沿空留巷尾端，浓度为 0.55。高瓦斯区域主要集中在采空区深部，距工作面 100m 以内采空瓦斯浓度 维持在 20以下。 针对 3311 工作面 Y 型通风的实际情况设计瓦斯抽采系统。 综合采用本煤层、 邻近层、裂隙带和采空区预埋管相结合的方法抽采瓦斯。通过综合抽采后，工作 面回风浓度及沿空留巷内的瓦斯浓度，控制在 0.2-0.7之间。工作面抽放率变 化大致在 30-70之间，平均抽放率为 55。工作面最大风排瓦斯量达 14m3/min，后期风排瓦斯量逐渐减少，始终高于 4m3/min。3311 工作面开采过程 中，瓦斯抽采量为 814.5 万 m3，其中运巷管路和材巷管路内的瓦斯浓度较为稳 定，大致在 6-10之间，采空区埋管抽采的浓度为 3左右，裂隙带管路抽采 浓度在 4-10之间。下伏 4 煤层的瓦斯含量由 7.95m3/t 降至 2.3m3/t、瓦斯压力 由 0.79MPa 降至 0.21MPa。回风流及工作面瓦斯浓度始终符合安全规定，可以保 证安全开采。 论文有图 61 幅，表 16 个，参考文献 101 篇。 关键词关键词上覆煤层；数值模拟；通风方式；采动应力；瓦斯运移 II Abstract As the close layer is mined, large number of crack developed in adjacent rock. Then, pressure relief in protected layer, plenty of gas desorb and goes into the underlie layer through cracks. Due to leakage, air in workface get overrun of gas, threatening the safety of mining of protective layer. Taking Hexi coalmine geological conditions as background, this paper do some research on layer stress distribution and the gas concentration distribution, under different ventilation modes and extraction . Applied Y-type ventilation in engineering, combined with the gas control effect, this paper provides an example for coalseam with similar conditions. During the mining of overlying layer the change of the vertical stress of nearby rock obtained by numerical simulation. After overlying layer mined, bottom stress distribution law is compression-unloading expansion recovery, and it revolves as face forward. Be overlying layer bearing stress distribution is an approximation M. When mining range of 200m, maximum vertical stress is 33MPa, the relief range of pressure is 120m, unloading area vertical stress is 1MPa and best unloading area is under the overlying layer goaf. Relative compression deation is 4.3‰ in underlie-seam, maximum relative expansion deation is 7.6‰. Through the analysis of the gas concentration distribution rule under different ventilation system, the best ventilation way is U-type ventilation with high-level suction tunnels and Y-typed ventilation. According to HeXi coalmine geological condition, Y-type ventilation mode is chose. Through research, this paper gets gas distribution law in Y-type ventilation workface. Gas distribution is reduced after the first rise trend along the face tendency, the gas concentration variation from 0.5 to 0.55 in the entry. High gas concentration area concentrated in deep-goaf and in the most of shallow area is below 25. In 3311 workface, which use Y-type ventilation, this paper design the gas extraction system. Through comprehensive extraction, gas concentration is controlled from 0.2 to 0.7, in workface and goaf-side entry. Face drainage rate is roughly between 30 and 70, which average is 55. Windblown mine gas quantity is up to 14 m3/min, and tends to be stable at around 4 m3 /min at the later period. When mining 3311 workface, 8.145 million m3 of gas was drained overall.Gas concentration in drainage branch pipe of material lane and transportation lane is steady around III 6-10. And it in drainage branch pipe of goaf-buried pipe is about 3, fissure zone is around 4-10. In the underlying 4 seam, gas pressure reduced from 0.79MPa 0.21MPa, gas content reduced from 7.95m3/t down to 2.3m3/t. Return air and working face gas concentration always comply with safety regulations, ensuring the overlying layer in safety situation. The peper has 61 figures, 16 tables, 101 references. Keywords gas extraction; numerical simulation; ventilation type; gas transport; overlying layer IV 目目 录录 摘要摘要 I 目目录录 IV 图清单图清单 VIII 表表清单清单 XII 变量注释表变量注释表 XIII 1 绪论绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文研究内容 8 1.4 本文技术路线 8 2 上覆煤层上覆煤层开采现场概况开采现场概况 10 2.1 矿井概况 10 2.2 上覆煤层 3311 工作面概况 10 2.3 3311 工作面瓦斯赋存规律 12 2.4 3311 工作面瓦斯涌出量预测 15 2.5 小结 17 3 采采动应力演化数值模拟分析动应力演化数值模拟分析 18 3.1 FLAC3D数值模型的建立 18 3.2 采动应力及膨胀变形模拟分析 21 3.3 小结 28 4 模型的建立及模型的建立及边界条件的设定边界条件的设定 30 4.1 FLUENT 软件简介 30 4.2 多孔介质内瓦斯运移的理论基础 31 4.3 模型的建立 33 4.4 边界条件设置 38 4.5 模型的孔隙性分布 39 4.6 小结 41 5 数值模拟结果分析数值模拟结果分析 43 V 5.1 U 型通风条件下气体分布规律 43 5.2 UL 型通风采场瓦斯分布规律 46 5.3 U高抽巷型通风采场瓦斯分布规律 49 5.4 Y 型通风采场瓦斯分布规律 53 5.5 小结 58 6 上覆煤层上覆煤层开采现场试验考开采现场试验考察察 59 6.1 3311 工作面通风路线及沿空留巷支护 59 6.2 采空区瓦斯抽采系统 60 6.3 瓦斯抽排效果及分析 64 6.4 小结 72 7 7 结论与研究展望结论与研究展望 73 7.1 全文结论 73 7.2 研究展望 74 参考文献参考文献 75 作者作者简历简历 80 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 81 学位论文数据集学位论文数据集 82 VI Contents Abstract II Contents VI List of Figures VIII List of Tables XII List of Variables XIII 1 Introduction 1 1.1 Purpose and Significance of Topic Selection 1 1.2 Research at Domestic and Overseas 2 1.3 Research Content of the Paper 8 1.4 Research Approach of the Paper 8 2 General Situation of Upper Underlie layer 10 2.1 General Situation of the Experiment Mine 10 2.2 Situation of 3311 Workface 10 2.3 Gas Occurrence Law of Face 3311 12 2.4 Gas Emissions Law of Face 3311 15 2.5 Conclusions 17 3 Numerical Simulations of Crack Field 18 3.1 Construction of Numerical Simulation System 18 3.2 Mining stress and expansion deation analysis 21 3.3 Conclusions 28 4 Numerical Simulations Modle 30 4.1 Brief FLUENT Introduction Software 30 4.2 Theoretical Basis for Numerical Dimulation of Gas Felivery in Goaf 31 4.3 Buliding Numerical Snalysis Model 33 4.4 Boundary Conditions 38 4.5 Permeability of Mining Fissure Zone 39 4.6 Conclusions 41 5 Numerical Simulation Analysis 43 VII 5.1 Gas Distribution of U-style Ventilation 43 5.2 Gas Distribution of UL-type Ventilation 46 5.3 Gas Distribution of U with high level suction Ventilation 49 5.4 Gas Distribution of Y-type Ventilation 53 5.5 Conclusions 58 6 Field Trials on the Overlying layer Mining 59 6.1 Working on Routes along the Empty Ventilation Left Lane Support 59 6.2 Goaf Gas Drainage System 60 6.3 Perance Analysis of Gas Extraction in Working Face 64 6.4 Conclusions 72 7 Conclusions and Prospects 73 7.1 Conclusions of the Paper 73 7.2 Research Prospects 74 References 75 Author’s Resume 80 Declaration of Thesis Originality 81 Thesis Data Collection 82 VIII 图清单图清单 图 1-1 采场上覆煤岩体的分区 3 Fig.1-1 Coalface ove