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特厚煤层综放开采瓦斯涌出规律及控制方法 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名喻 鹏 指导教师夏彬伟 副教授 兼职导师赵 君 高 工 学位类别工程硕士（矿业工程领域） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年五月 万方数据 Gas Emission Law and Control in Fully-Mechanized Sublevel Caving Mining of Extremely Thick Coal Seam A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’S Degree of Engineering By Yu Peng Supervised by Ass.Prof.Xia Binwei Pluralistic Supervised by Sen.Eng.Zhao Jun SpecialtyME Mining Engineering College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2017 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 随着煤矿开采过程中高产高效新技术的发展和应用，特厚煤层开采期间的瓦 斯灾害问题日益凸显。部分回采工作面虽然煤层瓦斯含量较低，但是由于开采强 度大，生产期间仍存在瓦斯异常涌出现象。因此，目前亟需对特厚煤层开采期间 的瓦斯涌出规律和控制方法进行研究。 本文以塔山煤矿 3-5煤层综放工作面为研究对象， 针对具有坚硬顶板的低瓦斯 含量特厚煤层综放工作面周期来压期间瓦斯异常涌出问题，结合现场试验、数值 模拟和理论分析等方法，开展了工作面煤体及采空区瓦斯涌出规律以及控制方法 研究，主要研究成果如下 ①根据现场实验得到了综放工作面的瓦斯涌出规律。正常回采期间工作面的 总瓦斯涌出量为 56.96m3/min，其中煤壁、采空区、采落煤的瓦斯涌出量分别占 3.46、52.65、43.89；周期来压期间，工作面总瓦斯涌出量为 79.16m3/min， 其中煤壁、采空区、采落煤的瓦斯涌出量分别占 4.9、63.52、31.58。其中采 空区瓦斯涌出量所占比例最大。 ②采用数值模拟及室内实验揭示了支承压力作用下工作面前方煤体瓦斯涌出 的影响。支承压力由煤壁开始呈现先快速增大后缓慢减小的趋势，且工作面前方 012m 为煤岩体卸压区；通过原煤试件的加卸载实验模拟支承压力变化过程，得 出采动应力会导致卸压区煤岩体的变形破坏并产生裂隙，煤岩渗透率增加明显， 由 0.087 10-3μm2增加至 2.25 10-3μm2，造成煤体瓦斯大量涌出。 ③通过理论计算及现场实验得到坚硬顶板运动对采空区瓦斯涌出的影响。基 于坚硬顶板“O-X”破断机理， 从能量的角度分析了坚硬顶板破断回转对采空区的 冲击过程，得到破断块体轴向作用力与采空区垮落煤岩碎胀系数之间的关系。同 时研究了顶煤放出率及垮落煤岩碎胀系数对坚硬顶板破断回转前后采空区体积变 化的影响规律，建立了来压期间采空区瓦斯涌出增加量计算模型，并与现场实测 进行对比，两者误差在 1.798.83之间，结果较为相符。 ④提出适用于特厚煤层综放工作面的“协同瓦斯控制方法” 。基于地面钻孔抽 采，本煤层超前采动卸压区域瓦斯预抽，上隅角瓦斯抽采技术提出了针对采空区、 上隅角及采动卸压区的协同瓦斯控制方法，并在塔山煤矿 8204 综采工作面建立了 协同瓦斯控制系统。 该系统运行后， 将工作面上隅角、 后溜尾瓦斯浓度控制在 0.3 左右，将工作面回风流瓦斯浓度控制在 0.25左右，抽采效果明显，极大的降低了 工作面瓦斯隐患。 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 II 关键词关键词综放开采，支承压力，瓦斯涌出，采空区，瓦斯抽采 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III ABSTRACT With the development and application of new technology of high production and high efficiency in mine, the mining intensity of the mine is increasing. Although the coal seam gas content is low in some fully mechanized sublevel caving face, the abnormal gas emission still exists during the production because of the large mining intensity. Therefore, it is urgent to study the law of gas emission and the control in the extra-thick coal seam. In this paper, fully mechanized sublevel caving face in 3-5 coal seam of Tashan Coal Mine is taken as the object of study. According to the problem of abnormal gas emission during the period of the period of the fully mechanized sublevel caving face, combined with field test, numerical simulation and theoretical analysis, the gas emission in goaf and the of gas drainage is researched. The main research results are as follows ①The field of gas emission in fully mechanized top coal caving mining face is studied by field test. The total gas emission of the working face during the normal mining period is 56.96 m3/min, among which the gas emission of coal wall, goaf and coal mining are accounting for 3.46, 52.65 and 43.89 of the total gas emission. During the period, the total gas emission of the working face is 79.16 m3/min, among which the gas emission of coal wall, goaf and coal mining are accounting for 4.9, 63.52, 31.58 of the total gas emission. The gas emission in the goaf accounts for the main part of the gas emission in the working face. ②The effect of hard roof movement on the gas emission of coal and rock in front of working face is obtained by numerical simulation and laboratory test. The numerical analysis results show that the abutment pressure increase rapidly before decrease to initial stresses. And it is also confirmed that the 012m in front of the working face is the pressure relief area of coal seam. Through the loading and unloading experiments of coal samples, the process of abutment pressure change is simulated. It is concluded that the abutment pressure will lead to the deation and damage of coal in the pressure relief area, and the permeability of coal increases obviously from 0.087 10-3μm2 to 2.25 10-3μm2, which provides the basis for gas drainage in pressure relief area, caused a large amount of gas emission from coal seam. ③The effect of hard roof motion on the gas emission in goaf is obtained by 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 IV theoretical calculation and field test. Based on the “O-X” type breaking of hard roof, the impact process of hard roof breaking to the goaf is analyzed from the view of energy to get the relationship between the axial force of broken block and the broken expand coefficient of caving coal-rock in goaf. Besides, combined with the effect of the top-coal recovery rate and the broken expand coefficient of caving coal-rock on the volume change of goaf during hard roof breaking , the ula for gas emission increase in goaf during periodic weighting is established, and its results are compared with measured data. The result shows that the volume of goaf is reduced by the breaking of hard roof in fully-mechanized sublevel caving mining of extremely thick coal seam, so the high concentration of gas in goaf will be poured into to the working face which leads to abnormal gas emission during the periodic weighting. The theoretical calculation of gas emission increase in goaf for the 8214 working face of Tashan Mine is 14.5m3/min, and the error is between 1.798.83 compared with the measured data. The results are consistent, which verifies the correctness of the ula. ④This paper puts forward the cooperative gas drainage technology“ which is suitable for fully mechanized top coal caving face in extremely thick coal seam. Based on the gas drainage of ground drilling, coal seam pressure relief area and the upper corner, put forward the cooperative gas drainage technology. The cooperative gas drainage system is established in the 8204 fully-mechanized sublevel caving mining face in Tashan Mine. After the operation of this system, the gas concentration is controlled at about 0.3 in the upper corner and the tail of hydraulic support, and is controlled at about 0.25 in return airway. The drainage effect is obvious and the hidden danger of gas in working face is greatly reduced. Keywords fully-mechanized sublevel caving mining; abutment pressure; gas emission; goaf; gas drainage 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 ....................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 1 1.2.1 综放开采条件下瓦斯涌出规律研究现状 ....................................................................... 1 1.2.2 煤矿瓦斯抽采现状 ........................................................................................................... 2 1.3 研研究内容和技术路线究内容和技术路线 ............................................................................................................... 3 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 3 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................................... 3 2 综放工作面瓦斯涌出规律研究综放工作面瓦斯涌出规律研究 ................................................................................... 5 2.1 塔山矿塔山矿 8214 综放工作面概况综放工作面概况 ................................................................................................. 5 2.2 综放工作面瓦斯分布特征测试综放工作面瓦斯分布特征测试 ............................................................................................... 6 2.3 综放工作面瓦斯涌出来源分析综放工作面瓦斯涌出来源分析 ............................................................................................... 8 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 12 3 超前支承压力变化对煤体瓦斯涌出影响研究超前支承压力变化对煤体瓦斯涌出影响研究 ................................................. 13 3.1 超前支承压力变化规律研究超前支承压力变化规律研究 ................................................................................................. 13 3.1.1 数值模拟软件简介 ......................................................................................................... 13 3.1.2 模型的建立 ..................................................................................................................... 13 3.1.3 超前支承压力变化规律分析 ......................................................................................... 15 3.2 支承压力对煤体变形与渗透率影响支承压力对煤体变形与渗透率影响实验实验研究研究 ..................................................................... 18 3.2.1 实验装置及方案 ............................................................................................................. 18 3.2.2 实验结果及分析 ............................................................................................................. 19 3.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 22 4 坚硬顶板破断对采空区瓦斯涌出的影响研究坚硬顶板破断对采空区瓦斯涌出的影响研究 ................................................. 23 4.1 顶板破断对采空区冲击的动力学分析顶板破断对采空区冲击的动力学分析 ................................................................................. 23 4.2 顶板破断前后采空区体积变化对瓦斯涌出影响研究顶板破断前后采空区体积变化对瓦斯涌出影响研究 ......................................................... 25 4.3 坚硬顶板破断对瓦斯涌出影响实测分析坚硬顶板破断对瓦斯涌出影响实测分析 ............................................................................. 28 4.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 31 5 特厚煤层综放工作面特厚煤层综放工作面协同瓦斯协同瓦斯控制控制方法方法研究研究 ................................................. 33 5.1 塔山煤矿瓦斯抽采状况分析塔山煤矿瓦斯抽采状况分析 ................................................................................................. 33 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 VI 5.1.1 瓦斯抽采必要性分析 ..................................................................................................... 33 5.1.2 瓦斯抽采可行性分析 ..................................................................................................... 34 5.2 协同瓦斯协同瓦斯控制控制方法方法研究研究 ......................................................................................................... 34 5.2.1 采场瓦斯富集规律及抽采方法选择 ............................................................................. 34 5.2.2 超前采动卸压区域瓦斯预抽技术研究 ......................................................................... 36 5.2.3 地面钻孔瓦斯抽采技术研究 ......................................................................................... 40 5.2.4 上隅角瓦斯抽采研究 ..................................................................................................... 41 5.3 协同瓦斯协同瓦斯控制控制方法方法效果分析效果分析 ................................................................................................. 42 5.3.1 超前采动卸压区域瓦斯预抽效果分析 ......................................................................... 42 5.3.2 地面钻孔瓦斯抽采效果分析 ......................................................................................... 43 5.3.3 隅角瓦斯抽采效果分析 ................................................................................................. 45 5.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 45 6 结论与建议结论与建议 ............................................................................................................................ 47 6.1 主要结论主要结论 ................................................................................................................................. 47 6.2 建议建议 ......................................................................................................................................... 48 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 49 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 50 附附 录录 ....................................................................................................................................... 53 A. 作者在攻读学位期间发表的论文作者在攻读学位期间发表的论文目录目录 .................................................................................. 53 B. 作者在攻读硕士学位期间申请专利作者在攻读硕士学位期间申请专利 ...................................................................................... 53 C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 .......................................................................... 53 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 煤炭在我国一次性能源结构中处于主要位置，是重要的基础能源[1]。在当前能 源结构调整过程中，小型煤矿被淘汰关停，特大型煤炭生产基地将会在我国煤炭 生产中处于重要的地位。对于特厚煤层，这些矿区为了实现矿井的高产高效和集 约化生产，多采用综采放顶煤的开采工艺[2]。 随着煤矿开采过程中高产高效新技术的发展和应用，特厚煤层开采期间的瓦 斯灾害问题日益凸显[3]，高开采强度导致工作面的绝对瓦斯涌出量大，在放顶煤和 周期来压期间，短时间内工作面瓦斯涌出量大，严重威胁井下人员的生命安全， 影响矿井安全高效生产。由于煤层的瓦斯含量低，常规的瓦斯抽采技术不适用， 为工作面的瓦斯治理带来很大难度。因此，目前亟需对低瓦斯含量特厚煤层开采 期间的瓦斯涌出规律和瓦斯控制技术进行研究。 本文以同煤集团塔山煤矿作为研究对象，针对综放工作面开采期间存在的瓦 斯异常涌出问题，研究了采动影响下坚硬顶板运动对工作面前方煤岩瓦斯涌出以 及对采空区瓦斯涌出的影响， 并提出适用于低瓦斯含量特厚煤层综放工作面的 “协 同瓦斯控制方法” ，为解决塔山高强度综放开采条件下上隅角、回风巷和工作面等 瓦斯超限提供一条新的途径，对保障矿井安全高效生产具有重大的工程意义。同 时，对于包括大同矿区在内的特厚煤层开采矿区（如新疆、内蒙、陕西等矿区） 的瓦斯治理具有重要的借鉴价值，推广和应用前景广阔。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综放开采条件下瓦斯涌出规律研究现状 综合机械化放顶煤开采技术是典型的高强度开采技术，取得了明显的经济效 益。与普通综采相比，综放开采条件下瓦斯涌出在时间、空间上的不均衡加剧且 更为集中，容易导致上隅角、回风巷瓦斯浓度偏高，威胁矿井生产安全。针对综 放开采条件下瓦斯涌出规律，国内外学者开展了很多研究。 李树刚等[4,5]提出煤岩体自身的渗透率是影响煤层内部瓦斯涌向采掘空间的重 要因素之一，而其又与煤层所承受的支承压力的大小关系密切。通过在魏家地矿 的现场实测以及实验室内所做的煤样的全应力应变实验，分析得出渗透率与支承 压力的大致关系，并根据实测的综放工作面的支承压力分布规律，综合得到支承 压力对工作面前方煤体瓦斯涌向采掘空间的影响规律。 谢和平等[6,7]提出煤矿综放开采过程中，工作面推进产生的采动应力导致煤岩 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 体所受的垂直力由原始应力状态先逐渐升高至 22.5 倍的原岩应力， 再快速降至原 岩应力以下，水平应力则由原始应力状态持续降低。加卸载实验可以模拟综放工 作面回采过程中支承压力的变化，得到煤岩体在支承压力作用下的变形和渗透率 变化规律。 尹光志、许江等[8-11]针对综放工作面煤岩渗透率变化规律的问题，通过固定轴 压同时用不同的速度卸载围压、固定围压同时用不同的速度加载轴压、加载轴压 的同时卸载围压等不同应力控制方式下的煤岩渗透实验，得到其渗透率与其所受 应力的规律。相比煤岩试件全应力应变下的渗流实验，更加接近矿井开采时煤岩 所受应力状态变化的变化情况，得出了更精准的综放工作面前方煤岩体的渗透率 变化规律。 姜福兴等[12]通过微地震监测技术以及工作面超前煤体的百米钻孔瓦斯自然涌 出量的现场实测，确定了周期来压期间导致工作面超限的瓦斯主要来自于采空区。 李化敏等[13,14]通过现场监测和模拟实验，得出采空区瓦斯受到顶板破断垮落 的挤压作用会向着工作面方向移动，导致工作面瓦斯体积分数增高。 杨永辰等[15]对煤矿瓦斯事故的原因进行理论分析，得出其主要原因是来压期 间顶板破断垮落导致采空区深部积聚的大量瓦斯被挤向采煤工作面。 蔡建德等[16]采用现场监测和相似模拟的方法研究了采空区坚硬顶板破断垮落 与采场瓦斯浓度变化的关系。 李树刚等[17]针对综放开采围岩活动影响下瓦斯的运移规律进行了研究，将矿 山压力及显现、岩层移动与瓦斯运移规律相结合，应用分形几何理论和方法研究 含瓦斯煤岩体孔隙裂隙的分形特征和含瓦斯煤岩体碎裂后的块度分型规律；通过 现场实测、综放采场矿压特征及瓦斯涌出规律，分析覆岩关键层初次破断形式及 其来压步距、顶板碰撞前的角速度及碰撞冲量、垮落矸石及支架承受冲击力对综 放采空区漏风阻力和采空区瓦斯向上隅角涌出速度的影响。 1.2.2 煤矿瓦斯抽采现状 煤炭作为我国重要的基础能源，在我国大分布地区均有分布。然而我国煤炭 的赋存条件总体不佳，大部分矿区的煤层中都含有瓦斯，煤矿生产和井下工作人 员安全存在隐患。通过煤矿瓦斯抽采，减少煤层中的瓦斯含量，降低采掘工作面 的瓦斯浓度，可以减轻瓦斯给矿井带来威胁[18]。 我国煤矿抽采瓦