高瓦斯综放工作面卸压瓦斯抽采技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 高瓦斯综放工作面卸压瓦斯抽采技术研究 姓名栗振刚 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师李树刚;肖蕾 20090420 论文题目高瓦斯综放工作面卸压瓦斯抽采技术研究 专业安全技术及工程 硕士生栗振刚 签名 指导教师李树刚 签名 肖蕾 签名 摘要 系统总结评述了近年来煤矿瓦斯治理和抽采理论及其应用的诸多成果和最新进展， 指出高瓦斯综放工作面 特别是受到采掘工作面影响的卸压综放面 的瓦斯抽采技术是 今后的研究重点，也是治理我国煤矿瓦斯灾害的最主要技术措施。基于此，结合相似材 料模拟实验和R F P A 数值模拟，分析煤层开采后上覆岩体裂隙产生发展的时空规律和分 布形态以及充分卸压范围与特征，说明了采动卸压之后形成的穿层破断裂隙和层面离层 裂隙相互贯通，其空间分布形状是一个存在动态变化的采动裂隙椭抛带 即椭抛带 ， 并进一步研究了其基本特征。 应用数值模拟软件R F P A ，结合煤岩瓦斯耦合理论、采动岩体力学以及传质学原理 等建立了瓦斯在采动裂隙带中流动的数学模型，并由此得出其中瓦斯运移的基本规律， 得出椭抛带为卸压瓦斯流动及储集提供了通道和空间，是瓦斯运移带和聚集带，对于合 理地布置瓦斯抽采方案提供了理论依据。参考宁夏白芨沟矿、乌兰矿等的瓦斯抽采利用 现状，结合山西天池煤矿1 0 3 综放面的现场实际，分析了采空区抽采技术、高位钻孔抽 采技术、尾巷抽采技术及高抽巷抽采技术等的抽采系统布置，得到将抽采巷道口、抽采 钻孔终点等置于覆岩采动卸压裂隙带，可以提高瓦斯抽采效率、瓦斯抽采浓度，获得良 好的抽采效果。最后以山西天池煤矿1 0 3 综放面的现场瓦斯抽采情况为例，通过基于相 似模拟实验和数值模拟得出的抽采技术方案的应用情况可以看出，现场布置的瓦斯抽采 方案取得了不错的效果，获得了较理想的安全效益和经济效益。 关键词卸压瓦斯抽采技术；采动裂隙椭抛带；高瓦斯综放面；R F P A 软件 研究类型应用研究 本文受国家自然科学基金项目基于采动裂隙场变化的煤与甲烷共采基础理论 5 0 5 7 4 0 7 2 0 、陕西 省自然科学基金项目采动裂隙场动态演化和卸压瓦斯渗流耦合机理研究 2 0 0 6 E 2 0 3 资助。 S u b j e c t S t u d yO nt h eD i s p o s e dM e t h a n eD r a i n a g eT e c h n o l o g yo fF u l l y M e c h a n i z e dC a v i n gF a c e S p e c i a l t y S a f e t yT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g N a m eL iZ h e n g a n g I n s t r u c t o r L iS h u g a n g X i a o L e i A B S T R A C T S i g n a t u r e S i g n a t u r e S i g n a t u r e T h i Sp a p e rs u m m a r i z e sa n dr e v i e w st h ea c h i e v e m e n t sa n dl a s t e da d v a n c e so fm e t h a n e h a r n e s sa n dd r a i n a g et h e o r ya n di t sa p p l y i n g ．I ti sp o i n t e do u tt h a t m e t h a n ed r a i n a g e t e c h n o l o g yo ff u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ee s p e c i a l l yt h ed i s p o s e d f a c ei st h er e s e a r c h e m p h a s i si nt h ef u t u r e ，a n di ti st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g ym e a s u r et og o v e m t h ec o a l m i n em e t h a n ed i s a s t e ri nO u rc o u n t r y ．B a s e do nt h e s ev i e w p o i n t s ，w ec o n n e c tt h em o d e l e x p e r i m e n tw i t hl 强P An u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa n a l y z et h et i m e s p a c e l a w , d i s t r i b u t i o n c o n f i g u r a t i o no ft h ef i s s u r ep r o d u c t i o nd e v e l o p m e n ta n d t h ez o n ea n df e a t u r eo ft h es u f f i c i e n t r e l i e v ep r e s s u r ei no v e r l y i n gs t r a t u m ．A tl a s tw ep r o v et h a ta f t e rb e d - s e p a r a t e df i s s u r e sa n d b r o k e nf i s s u r e so ft h em i n i n go v e r l y i n gs t r a t u ma l ec o n n e c t e d ，w h i c hs p a c e d i s t r i b u t i o nf o r m i sad y n a m i cM i n i n gF i s s u r eE l l i p t i cP a r a b o l o i dZ o n e E P Z ，a n df u r t h e rr e s e a r c hi t sb a s i c f e a t u r e s ． U s i n gR F P Aa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e t h a n ef l o wi nM i n i n gF i s s u r e dZ o n ei s d e d u c e dw i t ht h ec o u p l e dt h e o r yo fc o a la n dm e t h a n e ，m i n i n gr o c km e c h a n i c sa n dt h e p r i n c i p l eo fc o m m u n i c a t i o ns u b s t a n c em e c h a n i c s ．B a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，w ed r a w t h eb a s i cl a w so fm e t h a n ed e l i v e r yi nm i n i n gf i s s u r e dz o n e ．I ti so b t a i n e dt h a tE l l i p t i c P a r a b o l o i dZ o n es u p p l i e st h ed r a i n a g ea n ds p a c ef o rr e l i e v e dm e t h a n ef l o wa n dc o l l e c t i o n ， a n di st h em e t h a n ed e l i v e r ya n dc o l l e c t i o nz o n e ，t h a tw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s e m e n tf o r l o g i c a la r r a n g i n gt h em e t h a n ed r a i n a g es y s t e m ．R e f e r i n gt h es t a t u so fB a i j i g o uC o a lM i n e a n d W u l a nC o a lM i n eo fN i n g x i aM i n i n gC o m p a n y , i tc o m b i n e st h ec h e c k i n go ff i e l ds i t u a t i o ni n 凡l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c e1 0 3o fT i a n c h ic o a lm i n ei nS h a h ’X i ，t h em e t h a n ed r a i n a g es y s t e m a r r a n g e m e n tw h i c hd r a i n a g et h em e t h a n ec o m e sf r o m t h eg o bc o a ls e a m ，h i g hp a r tc o a ls e a m t a i lr o a d w a ya n dt h el l i g hr o a d w a yi sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti ft h ed r a i n a g er o a d w a y t 1 1 r o a to rs u c t i o nh o l et e r m i n a la r r a n g e si nm i n i n gf i s s u r ez o n e ，t h es u c t i o ne f f i c i e n c ya n d e f f i c i e n c ya n ds u c t i o nc o n c e n t r a t i o no fm e t h a n ec a l lb er a i s i n ga n d a t t a i n sb e R e rs u c t i o ne f f e c t ． A tl a s tt h ee x a m p l e so fm e t h a n es u c t i o na n da p p l i c a t i o ne f f e c ti nf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n g f a c e10 3o fT i a n c h ic o a lm i n ei nS h a n ’X ie x p l a i nt h a tt h e i rm e t h a n ed r a i n a g et e c h n o l o g yh a v e a c h i e v e dg o o dr e s u l t sa n do b t a i n e db e t t e rs a f e t yb e n e f i t sa n de c o n o m i cb e n e f i t s - K e yw o r d s D i s p o s e dM e t h a n eD r a i n a g eT e c h n o l o g y M i n i n gf i s s u r eE l l i p t i cP a r a b o l o i d Z o n e F u l l yM e c h a n i z e dC a v i n gF a c e R F P AS o f t w a r e T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y O d 3 ． 脸化伯姒l 仙A 眩 C g 副僦胁霎鳅燃咖～岬俩洲眦m ∞觚 f f y y蚶吖心若- l 曼吗鼬．主t 打X 忙麓| |感絮 僦o ．_ 驴留裟 U a 小美 瓣一磊一 m d m 陀蒜黜 撕砌娟．鹕 彻h 眦．m兰勰叫肌札| 萋 d g 帕m～砒～～ ．委舰m Ⅷ S S ●n r O 孤嗡 e e 形m p n ”， 嬲一 S n 5 Ⅲh “弧阻‰瓣 西妻料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究T 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名锄钞1P 鼎y 吵．j 、，汐 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 靴做储鹳。粉d ．1 W 圳 指导教师签名 弘呷年，月乡口日 I 绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 1 ．1 ．1 选题背景 1 绪论 我国煤矿瓦斯灾害严重，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井所占比例高，据不完全统计， 全国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井4 5 0 0 余处，原国有重点煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突 出矿井占4 9 ．8 ％t 1 1 。目前矿井瓦斯灾害依然是我国煤矿伤亡、损失最大以及发生最频繁 的重大恶性事故，2 0 0 5 年以来发生重特大瓦斯事故3 2 9 起、死亡3 0 8 2 人，占煤矿同类 事故起数的5 8 ．6 ％、死亡人数的6 4 ．6 ％。尤其是特别重大恶性瓦斯爆炸事故，给我国造 成了重大的经济损失和不良的社会影响【2 J 。 矿井瓦斯是一柄双刃剑，在严重威胁着煤矿安全生产，造成了大气环境污染P ，4 】的同 时，又是一种重要的清洁能源[ 5 1 。因此，进行煤矿瓦斯的综合抽采和利用可以说是我国 矿业安全生产的当务之急。 鉴于此，除沁水煤田等少数矿区外【6 】，我国绝大多数矿区不易采用地面钻井、压裂 抽采技术，而应利用采动影响来进行瓦斯抽采。这是由于不论原始煤岩层的渗透性有多 低，只要覆岩承受的压力降低，其渗透性就会成倍增加，而渗透性变化又对瓦斯的聚集 与排放 涌出 、瓦斯压力的分布起重要作用。目前利用采动影响来进行瓦斯抽采的方法 主要有顶 底 板穿层 顺层 钻孔、顶板水平长钻孔、高冒带钻孔、地面垂直钻井 孔 等，但这些方法大部分没有系统地将采场覆岩移动破坏规律、矿山压力分布规律、煤岩 层渗透性演化规律与瓦斯聚集运移规律有机地结合，未得到相对准确的定量的布置卸压 瓦斯抽采系统参数【J 7 ，8 】。 1 ．1 ．2 研究意义 我国煤炭行业的安全状况正处在一个较为严峻的局面下，预防和减少事故尤其是瓦 斯事故的危害是刻不容缓的和必须实现的。 瓦斯事故是煤矿六大灾害之首，我国高瓦斯爆炸煤矿占矿井总数的4 4 ％，瓦斯事故 死亡矿工占煤矿总死亡人数的3 0 ％ - 4 0 ％，瓦斯事故又占煤矿重大伤亡事故的7 0 ％～ 8 0 ％。瓦斯爆炸或煤与瓦斯突出事故除了在管理方面存在不规范因素外，不少是因为开 采技术落后或没有采用预先防范措施，因此，加大高瓦斯综放面卸压瓦斯的抽采就显得 尤为重要，同时需进一步加强对采动后覆岩结构演化规律以及卸压瓦斯在采动煤岩体中 的运移特性等的研究。本课题对高瓦斯综放面开采后上覆岩层的应力分布和应变规律进 西安科技大学硕士学位论文 行深入研究，对保护层开采覆岩结构演化规律的研究成果将为合理布置抽采巷道、钻孔 的位置，提高卸压瓦斯抽采效率等方面提供科学依据。 同时，进行高瓦斯煤矿卸压瓦斯抽采技术研究和卸压瓦斯抽采活动，可从根本上防 止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，还能减少矿井建设和生产通风费用的1 ／5 1 ／4 ，有利于提高煤矿的经济效益。 1 ．2 本课题的研究动态及发展趋势 1 ．2 ．1 矿井瓦斯抽采类型及方法 矿井瓦斯抽采类型按地点分，有开采层、邻近层、采空区和围岩抽采；按地应力对 比分，有未卸压和卸压抽采；按时间对比分，有采 掘 前预抽、边采 掘 边抽、采 后抽采。瓦斯抽采方法有钻孔法、巷道法以及综合法【9 ’1 0 】 见表1 ．1 。 1 ．2 ．2 综放面卸压瓦斯抽采技术研究现状 1 边采边抽煤层瓦斯技术 在工作面接续时间紧、不能保证预抽时间的情况下，应当采用边采边抽方式来解决 工作面瓦斯涌出量大的问题。当工作面采到钻孔附近 距工作面5 “ - - 1 0m ，受采动应力 的重新分布影响，造成此范围的卸压，使此带内煤体裂隙增加、煤体的渗透性能明显增 加【n 】，因而能达到较好的抽采效果，并可在采面回采之前起到一定的预抽作用，这就是 边采边抽瓦斯的理论基础。 边采边抽是当回采工作面准备好后，在运输顺槽或回风顺槽沿煤层倾向布簧钻孔来 抽采煤层瓦斯，主要有平行孔、扇形孔和交叉孔等布置方式 同采前预抽 。 以宁夏煤业集团公司白芨沟煤矿为例，该矿为高瓦斯矿井，煤层瓦斯含量为4 ．7 7 ～ 2 3 ．5 9m 3 ／t ，绝对瓦斯涌出量在5 0m 3 ／m i n 左右。该矿利用边采边抽及边掘边抽等瓦斯抽 采技术，年抽采量达到2 5 0 0 万m 3 以上，其中2 0 0 2 年抽采瓦斯3 0 8 4 ．2 万m 3 ，月平均 抽采量为2 5 7 ．0 2 万m 3 ，取得了显著的效果。 2 采后卸压抽采邻近层瓦斯技术 邻近煤层瓦斯抽采，为通常所称的卸压瓦斯抽采。在煤层群条件下，受开采层的采 动影响，其上部或下部的邻近层得到卸压后形成卸压区和应力集中区，发生膨胀变形， 其透气性会大幅提高，邻近层的瓦斯会通过层间裂隙大量涌向开采层。采用适用的抽采 方法，不仅可以提高抽采量，而且可以阻截瓦斯流向采场空间。 2 l 绪论 表1 ．1 矿井瓦斯抽采方法分类 抽采分类抽采方法 实用条件抽采率 未卸压抽采 打上向、下向顺层钻孔或突出煤层 本 采鬯奎 积由石 、兰兰竺兰要竺巷等 。勉强抽采，，煤层 2 0 ’有的 ⋯ 预抽向开采层打穿层钻孔 5 0 j 聚 一 地面钻孔 高瓦斯易抽，较浅埋深 2 0 ．3 0 层 ．． 密封开采巷道高瓦斯易抽煤层 2 0 ．3 0 采边掘边抽 由煤巷翌竺竺妻萼宝煤层周 高瓦斯煤层 2 0 - 3 0 围打防护钻孔 斯 由开采曼机苎风巷芝 工作 高瓦斯煤层 2 0 - 3 0 册局见斯煤层 卸压抽采边采边抽 向，粟罢毫嚣兰霎美竿登未高瓦斯二层 2 。．3 。 水力割缝、松皇 采层粤苎曼荸等打竺曼 高瓦斯难抽煤层 2 m 3 0 囊开采层工作由开萎莲蓑皇 盖翼 莘巷或邻近层瓦斯翌出苎套影响开采煤开采层工作由开采层机巷、风巷、中巷或．．． 层。．．， 面推过后抽岩巷向采空区打斜交矗孔 层安全时 4 0 。8 0 卸胜抽米 抽 ”。 采上、下邻近由煤门打沿邻近层钻孔4 0 ．8 0 凳 煤层 由邻近层掘汇集瓦斯巷道邻近慧荔篡慧 孔通4 0 s 。 ①井下钻孔抽采邻近层瓦斯 采用井下钻孔抽采邻近层瓦斯，要考虑煤层的赋存状况和开拓方式。其钻孔布置方 式主要有2 种。 a ．钻场设在工作面副巷内，向钻场邻近煤层打穿层钻孔。这种方法多用于抽采上邻 西安科技大学硕士学位论文 近层瓦斯 见图1 ．1 。优点抽采负压与通风负压方向一致，有利于提高抽采效果，尤 其是低层位的钻孔更明显；瓦斯管道设在回风巷，容易管理，有利于安全。缺点增加 了抽采专用巷道的维护时间和工程量。 钻孔 ／运输登一 、旦风副巷 图1 ．1 抽采上邻近层副巷布孔方式 b ．钻场设在工作面进风巷内，由钻场向邻近层打穿层钻孔。这种方法多用于抽采下 邻近层瓦斯 见图1 ．2 。优点运输水平一般均有供电及供水系统，打钻施工方便；由 于开采阶段的运输巷即是下一阶段回风巷，不存在由于抽采瓦斯而增加巷道的维护时间 和工程量。 图1 ．2 抽采。F 邻近层正巷布孔方式 ②地面钻孔抽采邻近层瓦斯 这种抽采瓦斯的钻孔布置方式，在国内部分矿井试验和应用过，抽采邻近层瓦斯的 效果比较好，但受条件限制，没有推广应用，对钻孔布置及参数未作系统的考察和确定。 但国外对这种钻孔布置有关参数有规定。比如前苏联煤矿瓦斯抽采细则中列举 了两种从地面钻孔抽采上邻近层及采空区瓦斯的方式。细则中规定，从地表打垂直钻孔 抽采瓦斯的方式，建议在开采深度小于4 0 0 “ - - 5 0 0m 并从井下巷道打钻抽采瓦斯效果不 好或施工困难时采用峭J 。 ③井下巷道抽采瓦斯技术 巷道抽采瓦斯主要是指在开采层的顶部、处于采动形成的裂隙带内开掘专用的抽瓦 斯巷道 高抽巷 ，用以抽采上邻近层的卸压瓦斯，巷道可以布置在邻近煤层或岩层内。 抽瓦斯巷道分走向抽采巷和倾斜抽采巷2 种。优点是抽采量大，抽采率高；缺点是 增加了掘进工程量，费用较高，其中走向高抽巷长距离独头巷道施工困难，倾向高抽巷 4 1 绪论 必然增设尾巷，通风管理难度大 ’ 3 采空区抽采瓦斯技术 主要有钻孔抽采法、尾巷抽采以及插 埋 管抽采方法等。 ①钻孔抽采法 根据打钻地点不同，打钻抽采方式可分为 a ．向冒落拱上方打钻抽采。向冒落拱上方打钻抽采的钻孔孔底应处在冒落拱上方， 以捕集处于冒落破坏带中的上部卸压层和未开采的煤分层或下部卸压层涌向采空区的 瓦斯。 b ．在老项煤岩中打水平钻孔抽采。当涌向采空区的瓦斯主要来自开采煤层的顶板之 上，而顶板为易于破坏的煤岩，从开采层往上打钻抽采有困难时，可采用从回风巷向煤 层上部掘出斜巷，一直进入稳定的煤岩为止，并在斜巷末端作钻场，迎着工作面推进方 向打与煤层平行的2 ～3 个钻孔的方式抽采瓦斯。随着回采工作面推进，钻孔底部始终 处在冒落拱的上部，而孔口处于负压状态。 ②尾巷抽放 a ．顶板尾巷抽放。工作面开采之前，在开切眼外煤柱内，距工作面回风巷1 ／3 工作 面长度处，掘一斜巷至开采层顶部一定高度，再作平巷伸入工作面里一段距离，在巷口 密闭插管，待工作面推进一定距离后开始抽放。 b ．工作面尾巷抽放。在回采工作面有与回风巷平行的排瓦斯尾巷，采取风排措施不 能解决瓦斯超限问题的条件下，可采取逐段密闭瓦斯尾巷接管抽放采空区瓦斯。 ③插 埋 管抽采 a ．插管抽采。靠近采面上隅角段管路可采用6m 长的铠装软管与主抽采管路连接， 将铠装软管插入上隅角，为保证软管吸入口处于上隅角的上部 上部瓦斯浓度较高 ， 抽采软管与木棒绑在一起，用铁丝吊挂在支架上，为提高抽采浓度，上隅角处应采用挡 风帘或挡风墙，提高抽采效果。 b ．预埋管抽采。与插管抽采基本相同，在采空区沿回采工作面的回风顺槽上帮铺设 一条瓦斯管，随着工作面的不断推进瓦斯管的一端逐渐埋入采空区，管口始终保持与工 作面一定的距离，管口终端安设弯头和三通并用沙网包好 防止抽采中发生垮落堵塞现 象 ，从而有效地集中负压抽采采空区高浓度瓦斯。 以宁夏煤业集团公司乌兰煤矿为例，该矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层绝对瓦斯涌出 量在8 2 ．5 5m a ／m i n 左右。该矿利用地面钻孔抽放采空区瓦斯，抽采瓦斯量为4 1 ．3m 3 ／m i n ， 结合井下采空区埋管、插管等抽采技术可以抽采出剩余瓦斯的5 0 ％，有效地解决了采空 区瓦斯涌出大的问题。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 ．2 ．3 综放面卸压瓦斯抽采技术存在的问题 综放面卸压瓦斯抽采技术存在的主要问题有以下几个方面 1 煤层的渗透性是瓦斯抽采的关键，我国煤层透气性普遍较低不利于瓦斯抽采p 】， 煤层开采后覆岩破坏及变形的空间结构演化对煤层渗透性的影响研究偏少。 2 对煤层开采后覆岩裂隙发育的判断带有经验性导致瓦斯抽采巷道或瓦斯钻孔方 位布置不尽合理，导致抽采效果不明显。 3 对高瓦斯综放工作面这一特殊条件下的煤层开采进行的相似模拟实验或者数值 模拟偏少，通过模拟指导现场如何布置合理的瓦斯抽采工艺也有待进一步研究。 1 ．3 本文的研究内容、研究目标和技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 本文的主要研究内容有 1 覆岩采后卸压形态及特征的模拟实验研究。 ①综放开采时覆岩破坏的基本特征 ②应用实例煤矿覆岩采后裂隙演化规律的相似模拟实验及其分析 2 综放工作面覆岩采后卸压形态数值模拟。 ①数值模拟的基本原理 ②R F P A 数值模拟软件简介 ③综放面覆岩采后卸压形态数值模型及其参数确定 ④综放面覆岩采后卸压形态数值模拟过程及其结果分析 3 采后卸压瓦斯抽采技术研究。 ①采空区引导钻孔瓦斯抽采技术研究 a ．在综放面选择合适地点，现场采用钻孔返水法或抽采瓦斯钻孔浓度法，测定采场 的“三带”高度。 b ．采用相似模拟实验，观测煤层开采后上覆岩层的下沉值，研究采场覆岩的“三 带“ 特征及碎胀特征，进而研究采动裂隙带产生发展的时空规律和分布特征。 c ．利用相关软件，计算分析煤层采动后，随工作面的推进上覆岩体的充分卸压高度、 煤岩层破裂形态和范围以及支承压力分布特征，相邻采空区隔离煤柱的稳定性及破裂程 度，并与相似模拟试验、现场观测及理论分析相结合，得到采场“三带’’高度。 d ．进行高位钻孔现场工业性试验，观测抽采钻孔的瓦斯日抽采量、浓度、负压以及 工作面通风量与瓦斯浓度，结合相似模拟实验、数值计算及理论分析，确定合理的钻场 间距、钻孔长度、抽采负压、钻孔孔径等抽采参数。 ②高位钻孔瓦斯抽采技术研究 6 1 绪论 ③尾巷密闭插管瓦斯抽采技术研究 a ．利用监测束管测定尾巷密闭插管抽采时的采空区瓦斯、氧气、C 0 2 等气体浓度。 b ．进行尾巷密闭插管抽采瓦斯现场工业性试验，观测抽采管道的瓦斯抽采量、浓度、 负压等。 c ．利用R F P A 软件，计算分析尾巷密闭插管抽采时，不同抽采间距下管道抽采量、 浓度以及采空区瓦斯等气体浓度，结合现场观测及理论分析研究采空区瓦斯等气体运移 规律，确定合理的瓦斯抽采半径、抽采时间及抽采负压等重要的抽采参数。 ④高抽巷瓦斯抽采技术研究 1 ．3 ．2 研究目标 在总结和吸收前人成果的同时，基于综放工作面煤岩碎胀系数分区特征，通过建立 卸压面瓦斯渗流模型，利用导入的边界条件模拟出综放工作面瓦斯的流态和浓度分布特 征，并根据现场的情况对模拟结果进行修正，从而探讨卸压面瓦斯抽采的最佳设计方案， 以期能有效地解决瓦斯抽采和卸压钻孔布孔等工作问题。 1 ．3 ．3 技术路线 本文通过现场测试、观测及调研，辅以数值计算模拟、物理相似材料模拟及理论计 算分析来研究煤层瓦斯赋存与综放面瓦斯涌出规律以及综放工作面瓦斯综合抽采技术， 本文的技术路线如图1 ．3 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 工作面生产 实时监测 工作面瓦斯 涌出监测 采空区瓦斯抽 采实时监测 进行相似模拟实验 得到岩体碎胀系数特征 利用得到的碎胀系数 特征推导渗流系数特征 边界条件漏风状态、瓦斯抽 放与不抽放时的状态和综采面 采高等条件 综放面采后卸压 形态数值模拟 反 馈 现场分析 采后卸压特性 模拟实验 效果检验 卸压瓦斯抽采技术最佳方案 完成论文 图1 ．3 本课题的技术路线图 8 瓦斯抽采 实时监测 工作面瓦斯 涌出监测 2 覆岩采后卸压形态及特征研究 2 覆岩采后卸压形态及特征研究 高瓦斯综放面卸压抽采技术的研究要以卸压面的瓦斯赋存及运移规律为基础。综放 工作面瓦斯的主要来源一是工作面煤壁释放出的瓦斯，二是采煤工作面新采落下来的 煤炭中散发出来的瓦斯，三是从采空区涌出的瓦斯，其中采空区涌出瓦斯是主要的来源。 由于采动影响在采动断裂带形成的破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连通 形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区， 这是瓦斯抽采的重点区域。因此，要研究卸压面瓦斯的渗流规律，有必要先研究卸压综 放面岩体的垮落特征 采空区是重点 ，按照采场覆岩横向采动特征，将采空区按照自 然堆积区、载荷影响区和压实稳定区在横向进行划分，弄清各区碎胀系数、空隙率的分 布特点；研究采空区上覆岩层采动断裂带的高度、碎胀系数及空隙率等特征，以便较全 面地分析和研究采空区内空气一瓦斯混合气体在冒落带和采动断裂带内的渗流规律。 2 ．1 综放开采时覆岩破坏的基本特征 经典的矿压理论对采场周围岩体变形空间进行了最具普遍性的区带划分，即受采动 影响，采场上覆岩层在竖直方向上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，在水平方向则形 成煤壁支撑影响区、岩层离层区和重新压实区。从采空区瓦斯运移特征看，垮落带和断 裂带是关键区域。根据采场上覆岩层移动理论，分析综放开采后采空区顶板岩性和垮落 岩体的破坏特征，可将采空区在横向上划分为图2 ．1 所示的自然堆积区、载荷影响区及 压实稳定区【1 4 1 。 图2 ．1综放面覆岩分带及采空区分区 9 西安科技大学硕士学位论文 2 ．1 ．1 推进方向特征 1 综放面上覆岩层沿推进方向的分区 煤层上方岩层在开采的影响下，经常在回采工作面前方数十米处就开始变形【l 酬。此 区域的特点是水平移动较为剧烈，而垂直移动则非常小，有时还会出现岩层上升的现象。 垂直位移急剧增加的情况只有当工作面推过此区域后才会出现。这个区域称为煤壁支撑 影响区。 煤壁支撑影响区之后，垂直位移急剧增加，但各层位移速度一般不同，会有越向上 越慢的特点。此区域内形成层间离层，因此把这个区域称为岩层离层区。 断裂岩层重新受到已冒落矸石的支撑时，其变形曲线又趋于缓和，此区称为重新压 实区。它的各岩层移动速度的特点是临近煤层的岩层，其运动速度要缓于其上覆岩层， 所以这个区域内，各岩层又进入互相压合的过程。 2 采空区沿推进方向的分区 采空区在横向的分区是根据其顶板压力的不同进行划分的[ 1 引。其划分与综放面上覆 岩层的划分既有联系也有不同，有其特殊性。 距煤壁一个周期来压步距左右范围内，老顶下沉量很小，垮落岩体与上部顶板间留 有一定空隙，使得垮落岩体未受压力而呈自然堆积状态，此区称为自然堆积区。之后， 垮落岩体受到其上顶板的压力，与顶板间不再有空隙，因之称为载荷影响区。采空区后 方岩体受顶板下沉而被重新压实，此区称为压实稳定区。’ 综上所述，在竖向上垮落带和断裂带是采空区瓦斯运移和聚集的最主要场所，而采 空区内的自然堆积区和载荷影响区则是重点区域，因此对这两带和两区的导气性、高度、 宽度、垮落特性进行分析和研究是治理综放面瓦斯超限的重要一环。 表2 ．1 采场上覆岩层及采空区岩体垮落特征‘坞1 Ca 采场上覆岩层竖三带特征 碎胀系数人中小 空隙度大中小 渗透系数大中小 b 采空区横三区特征 i 磊攫耋竺 自然堆积区载荷影响区压实稳定区 碎胀系数人中小 空隙度大中小 渗透系数大中小 1 0 2 覆岩采后卸压形态及特征研究 2 ．1 ．2 竖直方向特征 垮落带内岩体主要是综放开采上方直接顶岩层垮落形成，当垮落后的破碎煤岩体积 能将采空区完全填满，并起到支撑上方采动断裂带关键岩层的作用时，则垮落带停止向 上发展；或者在下位关键层下方尚有空隙，但因采空区暴露面积有限，即未充分采动， 关键层自身形成砌体梁结构而取得平衡，垮落亦可停止。此带内破断后的岩块呈不规则 垮落，排列亦极不整齐，碎胀系数比较大，因而为遗煤在采空区内的本煤层瓦斯、邻近 层及围岩瓦斯的运移和聚集提供了较大的空间。垮落带的高度则与煤层厚度、垮落煤岩 的碎胀特性及可压实性、顶板关键层位置及结构都有着密切地关系。 垮落带上方形成的采动断裂带内，存在着主关键层或亚关键层，它们控制着其上岩 层的变形和移动。该带内岩层沿层理裂开形成离层，并在拉应力的作用下产生大量的垂 直或斜交于岩层的裂隙。带内岩层虽未垮落，但由于裂隙的出现使其失去了原有的整体 性。又由于关键层破断后能够形成砌体梁结构，因此，带内岩层向采空区移动是有规则 的，其碎胀系数也较小。离层裂隙和破断裂隙的贯通为瓦斯的运移提供了畅通的通道， 邻近层或围岩体内瓦斯都有可能向此带运移，对综放开采造成巨大威胁。由于垮落带和 采动断裂带都具有一定的导气性，所以两者也统称为导气带。 采动断裂带上方岩层仅出现下沉弯曲，呈整体移动，弯曲下沉带内岩层一般不再破 断，只有在自身重力作用下产生的法向弯曲，故岩体较好地保持了原有的整体性。因采 动形成的破坏裂隙十分稀少，所以在此带内不会出现导气裂隙系。弯曲下沉带高度随岩 性不同而异，当岩层多为脆而硬岩时，其高度约为采动断裂带的3 - - ．, 5 倍，当岩体为软 弱而具塑性时，约为采动断裂带的数十倍，直至地表1 1 1 1 。 2 ．2 天池煤矿覆岩采后裂隙演化规律的相似模拟实验 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，采空区在竖直方向形成垮落带、断裂带 和弯曲下沉带，横向方向形成煤壁支撑影响区、岩层离层区和重新压实区，简称为“横 三区，竖三带”[ 2 0 l 。横三区和竖三带内岩体的破坏特征及其范围是影响采空区内瓦斯一 空气混合气体渗流、升浮和扩散等运动的控制因素。为了对采空区进行合理地建模，更 好地模拟采空区内瓦斯的分布特征，从而为有效治理瓦斯灾害，提高卸压瓦斯抽采率提 供指导，有必要开展覆岩移动规律的研究。覆岩移动过程本身，其影响因素多，物理过 程复杂，现场测定受到多方条件所限制。然而，相似模拟实验却能排除现场某些随机因 素的影响，寻找各物理量之间的复杂关系和变化规律，目前己成为工程研究中应用十分 广泛的方法【5 0 , 5 1 】。因此，本文采用相似模拟实验来研究覆岩移动及裂隙演化规律，之后 可以推导出卸压区瓦斯的运移规律。 2 ．2 ．1 相似模拟实验采用的相似条件 相似模拟实验以相似理论为基础，模型与原形之间必须在几何、运动、动力、边界 l l 西安科技大学硕士学位论文 条件和重要的物理力学参数相似，研究综放面覆岩采动后的变形、移动和破坏过程以及 采动裂隙的分布特点等。相似理论所遵循的三个定律如- F [ 1 5 , 1 8 , 1 9 】 1 相似第一定律两个相似的力学系统，在任一力学过程中，必须保持相应的力 学相似关系。两相似的力学系统在对应点上对应物理量均应有一定的比例关系。具体就 是它们相对应的长度、速度、力及质量等基本物理量应有如下关系 几何相似 ％ L 口／L 。 2 ．1 运动相似 口， t p ／，， 2 ．2 动力相似 口M M 。／M 。 2 ．3 根据牛顿第二定律有巴 M 。口。B M P 郎 ．．乏 M M 。p 口a _ p 嘞或丽F p ／ M p a p l 2 ．4 F mM m n m ‘ F m | 0 M m a ● 上式中，口L 、％、口M 、口F 为相似常数；聊，P 分别表示模型和原型，三、t 、从a 、