化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤技术研究.pdf

硕士学位论文 化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤技 术研究 Study on the Cross-measure Cutting Coal Technology of Gradual and Rapid Model in Outburst Coal Seam of Huale Mine 作 者赖仰林 导 师杨胜强教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD713 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤技 术研究 Study on the Cross-measure Cutting Coal Technology of Gradual and Rapid Model in Outburst Coal Seam of Huale Mine 作 者 赖仰林 导 师 杨胜强 申请学位 工学硕士 培养单位 安全工程学院 学科专业 安全管理工程 研究方向 矿井瓦斯防治 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 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 万方数据 71 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化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤 技术研究 ，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 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 赖仰林 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 万方数据 致谢致谢 在我的论文完成之际， 衷心地感谢这三年来给予我关心、 支持和帮助的老师、 朋友、同学及家人 向我的导师杨胜强教授致以最崇高的敬意和真挚的感谢 从基础课程的学习、 论文选题、资料收集，直至论文撰写、修改的整个过程，杨老师都给予我严格的 要求和悉心指导。研究中遇到的问题得到杨老师耐心、细致的启发和帮助。三年 研究生学习中，杨老师教导我学习广博的专业知识，指导我如何进行科学研究， 也让我学到了对待科学要严谨求实、勤奋刻苦，为人要谦逊质朴、真诚友善。这 将让我受益终生，将继续指导我以后的学习生活和工作。 对贵州省华隆煤业有限公司化乐煤矿总工程师张如科及各级领导和技术人 员在研究工作和论文写作中的帮助和指导表示由衷的感激 衷心感谢安全工程院各位领导和教师这三年间给予我许多关心和帮助。 感谢秦毅、蒋春林、牛杰、马旭东、王丽斌、孙家伟、王凤双等硕士同学在 学习过程中的帮助。 最后感谢各位专家百忙之中的审阅和指导。 万方数据 I 摘摘 要要 在煤与瓦斯突出矿井生产建设过程中， 石门揭突出煤层具有最有利于煤与瓦 斯突出发生、 发展的条件， 所以其危险性最大， 而且突出的强度大， 波及范围广， 造成的破坏严重，是矿井安全技术的重点和采掘部署的瓶颈工程。本文针对传统 石门揭煤方法的不足，结合化乐煤矿的实际情况，提出了渐进式快速石门揭煤技 术，并在 2 号回风石门进行了现场试验，安全、快速的揭开了具有突出危险的 3-2 煤层， 验证了该技术的有效性， 对矿井的其他揭煤工程具有重要的指导作用。 首先，论文在大量查阅国内外有关文献的基础上，对煤与瓦斯固气耦合规律 进行了深入研究，建立了含瓦斯煤体固气耦合方程及数值模型,为后面的数值模 拟打下基础；其次，对煤与瓦斯突出的预测方法进行了分析，确定了以综合指标 法预测揭煤点突出危险性及以钻屑瓦斯解吸指标值 K1和残余瓦斯压力检验消突 效果的指标体系，提高了预测的准确性，为安全揭煤提供了依据；再次，用数值 模拟的方法分析了3-2煤的瓦斯抽放半径与抽放时间和抽放负压的关系， 得出3-2 煤在 20kpa 的抽放负压下具有最佳的抽放效果，抽放 20 天时的有效抽放半径为 2.2m，为防突设计提供了重要依据；最后，针对传统揭煤方法揭煤时间长、安全 性差的不足，提出并试验了适用于化乐煤矿的渐进式快速石门揭煤技术，该技术 把整个揭煤过程分成五个部分来施工，分阶段、分步骤实施突出危险性预测和消 突措施，减少了措施钻孔的工作量和施工难度，缩短了消突时间，同时采用瓦斯 压力快速测定的方法，加快了工程进度，实现了安全、快速揭煤。 该论文有图 56 幅，表 16 个，参考文献 65 篇。 关键词关键词石门揭煤；渐进式；快速；瓦斯抽放半径；数值模拟 万方数据 II Abstract In the process of production and construction of coal and gas outburst mine, cross-measure cutting coal is most dangerous because it has the most helpful conditions for the occurrence and development of coal and gas outburst. And outburst strength is large, spreading to a wide range, the damage is serious, so it is the key of the mine safety technology and the bottleneck of mining deployment projects. In this paper, in view of the imperfection of traditional crossing coal technology, combining with the actual situation of Huale coal mine, put forward the cross-measure cutting coal technology of rapid and gradual model, and a field experiment was carried out in NO.2 air return tunnel cutting the 3-2 coal seam which has outburst risk safely and rapidly, verify the effectiveness of the proposed technique, and it has an important guiding role for other uncovering coal mine engineering. Firstly, research the coal and gas coupling rule on the basis of a large number of literatures at home and abroad, establishing the coal and gas coupling equation and numerical model of coal contain gas, lays the foundation for the numerical simulation behind; Secondly, analyze the prediction s of coal and gas outburst, identifing the index system of using comprehensive index to predict uncovering coal outburst danger and using drilling cuttings gas desorption index K1 and residual gas pressure to examine the effects of sudden elimination, improving the accuracy of the forecast, and providing the basis for safety uncovering coal; Thirdly, analyze the relationship of gas drainage radius of 3-2 coal seam with drainage time and drainage negative pressure with the of numerical simulation, conclusion that under 20 kpa drainage negative pressure, 3-2 coal seam has the best effect of drainage, an effective drainage radius is 2.2 m after 20 days drainage, poviding an important basis for outburst prevention design; Finally, put forward and test the cross-measure cutting coal technology of rapid and gradual model in view of the deficiency of taking long hours and poor safety of the traditional of cutting coal, the technology dividing the whole process of cutting coal construction into five parts, phased and step-by-step implementation of outburst danger prediction and elimination measures, reducing the workload of drilling measures and construction difficulty, shortenning the time of eliminating the outburst risk, at the same time, adopting the of fasting gas pressure test, speeding up the construction schedule, achieving cutting coal safely and rapidly. 万方数据 III Keywords cross-measure cutting coal; gradual model; rapid; gas drainage radius; numerical simulation 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................... IV 图清单图清单 ................................................................................................................. VIII 表清单表清单 .................................................................................................................... XI 1 1 绪论绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 ..................................................... 1 1.2 研究的目的及意义 ............................................... 1 1.3 国内外研究现状 ................................................. 1 1.4 本文的研究内容及技术路线 ....................................... 8 2 含瓦斯煤体固气耦合规律研究及数值模型含瓦斯煤体固气耦合规律研究及数值模型 .......................................................10 2.1 煤体的强度准则 ................................................ 10 2.3 瓦斯在煤层中的流动规律 ........................................ 14 2.4 含瓦斯煤体固气耦合方程的建立 .................................. 17 2.5 含瓦斯煤体固气耦合数值模型 .................................... 24 3 化乐煤矿化乐煤矿 2 号回风石门揭煤工作面突出危险性预测号回风石门揭煤工作面突出危险性预测 ........................................26 3.1 概述 .......................................................... 26 3.2 石门揭煤突出危险性预测方法 .................................... 26 3.3 突出预测指标研究 .............................................. 28 3.4 石门揭煤突出危险性综合指标预测 ................................ 35 3.5 小结 .......................................................... 36 4 化乐煤矿化乐煤矿 3-2 煤层瓦斯有效抽放半径数值模拟煤层瓦斯有效抽放半径数值模拟 .................................................37 4.1 数值模拟的意义及方法 ........................................... 37 4.2 模型的建立及定解条件 ........................................... 38 4.3 瓦斯抽放二维模型的模拟分析 ..................................... 42 4.4 小结 ........................................................... 46 5 5 渐进式快速石门揭煤技术现场试验渐进式快速石门揭煤技术现场试验 ...................................................................47 5.1 概述 .......................................................... 47 5.2 渐进式快速石门揭煤技术过程 .................................... 47 5.3 渐进式快速石门揭煤方法的应用 .................................. 48 万方数据 V 5.4 瓦斯抽放效果考察 .............................................. 61 5.5 揭煤时间统计 .................................................. 62 5.6 安全防护措施 ................................................... 62 5.7 小结 .......................................................... 63 6 结论与展望结论与展望 .........................................................................................................65 6.1 结论 .......................................................... 65 6.2 论文创新点.....................................................66 6.3 展望 .......................................................... 66 参考文献参考文献 .................................................................................................................67 作者简历作者简历 .................................................................................................................70 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ..............................................................................................71 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................72 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................. II Contents ................................................................................................................. VI List of Figures ..................................................................................................... VIII List of Tables ......................................................................................................... XI 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1 Propose the Problems ............................................... 1 1.2 Research Significance and Objective ................................... 1 1.3 Investigation Status ................................................. 1 1.4 Research Content and Technical Route of The Thesis ...................... 8 2 Research on The Law of Solid and Gas Coupling of Coal Seam Contain Gas and Numerical Model .............................................................................................10 2.1 Strength Criterion of Coal Seam ...................................... 10 2.3 The Flow Law of Gas in Coal Seam ................................... 14 2.4 The Establishment of The Deation of Coal and Rock Containing Gas ..... 17 2.5 Coal and Gas Coupling Numerical Model of Coal Contain Gas ............. 24 3 Outburst Risk Prediction of Rock Cross-cut Coal Uncovering Working Face in No 2 Air Return Tunnel of Huale Mine .................................................................26 3.1 Introduction ...................................................... 26 3.2 Outburst Risk Prediction of Rock Cross-cut Coal Uncovering ........ 26 3.3 Research on Outburst Prediction Index ................................ 28 3.4 Outburst Risk Comprehensive Index Prediction of Rock Cross-cut Coal Uncovering ......................................................... 35 3.5 Summary ........................................................ 36 4 Numerical Simulation of the Effective Radius of 3-2 Coal Seam in Huale Mine .................................................................................................................................37 4.1 The Significance and s of Numerical Simulation ................... 37 4.2 Establishment of the Mode and Definite Conditions ...................... 38 4.3 Analysis of Two-dimensional Model Based on Gas Extraction .............. 42 4.4 Summary ........................................................ 46 5 Field Experiment of the Cross-measure Cutting Coal Technology of Gradual 万方数据 VII and Rapid Model ....................................................................................................47 5.1 Introduction ...................................................... 47 5.2 Process of Cross-measure Cutting Coal Technology of Gradual and Rapid Model .................................................................. 47 5.3 Aplication of Cross-measure Cutting Coal Technology of Gradual and Rapid Model ............................................................. 48 5.4 Gas Drainage Effect ............................................... 61 5.5 Time Statistics of Uncovering Coal .................................. 62 5.6 Safety Protection Measures .......................................... 62 5.7 Summary ........................................................ 63 6 Conclusion And Outlook .....................................................................................65 6.1 Conclusions ...................................................... 65 6.2 Innovations of the Paper.66 6.3 Prospects ........................................................ 66 Reference ................................................................................................................67 Author’s Resume ....................................................................................................70 Declaration of Thesis Originality ...........................................................................71 Dissertation Data Collection ..................................................................................72 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 论文的技术路线图 9 Figure 1-1 Structure of technical route of the topic 9 图 2-1 三角柱状体上的受力分析 10 Figure 2-1 Force analysis of the tri-prism 10 图 2-2 Mohr 应力圆 11 Figure 2-2 Mohr stress circle 11 图 2-3 不同侧应力下的极限应力圆 12 Figure 2-3 stress circularity in variant lateral stress 12 图 2-4 煤样的剪切强度曲线 13 Figure 2-4 coal sample’s curve of shear 13 图 2-5 煤样破裂面上的剪应力与主应力的关系 13 Figure 2-5 relation of principle stress and shear on failure face 13 图 2-6 瓦斯单向流动示意图 16 Figure 2-6 The sketch showing uni-direction flowing 16 图 2-7 瓦斯径向流动示意图 17 Figure 2-7 The sketch showing radial flowing 17 图 2-8 瓦斯球向流动示意图 17 Figure 2-8 The sketch map of globe flowing 17 图 3-1 WT-1 型瓦斯扩散初速度测试系统图 31 Figure 3-1 The WT-1 tape gas diffusion speed test system graph early 31 图 3-2 M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪结构示意图 33 Figure 3-2 The structure sketch map of the M-Ⅱ type gas pressure measuring instrument 33 图 3-3 M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪实物图 34 Figure 3-3 The physical map of The M-Ⅱ type gas pressure measuring instrument 34 图 4-1 瓦斯抽放几何网格模型 39 Figure 4-1 Gas drainage geometric model 39 图 4-2 瓦斯抽放模型解算收敛图 40 Figure 4-2 Gas drainage geometric model calculating convergence 40 图 4-3 瓦斯抽放模型立体图 40 Figure 4-3 Gas drainage geometric model stereogram 40 图 4-4 瓦斯抽放模型等值面图 40 Figure 4-4 Gas drainage geometric model contour surface map 40 图 4-5 瓦斯抽放模型切面图 41 Figure 4-5 Gas drainage geometric model longitudinal section 41 图 4-6 瓦斯抽放模型时空分布图 41 Figure 4-6 Gas drainage geometric model Temporal and spatial distribution map 41 图 4-7 瓦斯抽放模型流动图 41 Figure 4-7 Gas drainage geometric model flow map 41 万方数据 IX 图 4-8 瓦斯抽放模型二维截面图 42 Figure 4-8 Gas drainage geometri