急倾斜突出煤层群煤与瓦斯共采理论及应用

【摘要】急倾斜突出煤层群开采由于其倾角较大,带来了“三小五大”问题,即井型小、矿山压力小、回采率小和瓦斯防治难度大、巷道掘进率大、倾斜上向影响范围大、吨煤消耗大、工人劳动强度大等。如何进行这类煤层的煤与瓦斯共采,是一个技术难题。根据《防治煤与瓦斯突出规定》的要求,在开采此类煤层时首先必须解决开采前后的瓦斯问题,再进行煤层开采,这是对单一突出煤层开采的要求；对于煤层群开采还需进行采后邻近层瓦斯的治理；瓦斯作为一种清洁能源,不能单纯进行抽放治理,必须积极进行瓦斯的抽采利用。为此,在“急倾斜突出煤层群煤与瓦斯共采”课题中,通过实验研究、理论分析、数值模拟和现场测试,对急倾斜突出煤层群的矿山压力及其对瓦斯影响,瓦斯卸压消突理论,煤与瓦斯共采的协同开采方法,保护层选择及开采过程中的瓦斯运移规律与治理技术进行了系统的研究,取得了一系列成果,确保了急倾斜突出煤层群煤与瓦斯共采过程中的高产、高效、安全。1)瓦斯卸压消突理论研究。突出煤层透气性系数低,但若煤层松动,其透气性系数会成百倍的增大,使瓦斯压力降低和瓦斯流量增大,降低甚至消除了煤与瓦斯突出。根据瓦斯运移与围岩破碎规律,提出了“切-抽-掘-采”的瓦斯卸压消突理论：在突出煤层开采前先进行煤层切割,使煤层开裂松动,促进煤层瓦斯由吸附态向流离态的转变,再进行瓦斯抽采,使未开采突出煤层瓦斯在巷道施工前卸压消突；在巷道掘进和煤层开采过程中,利用矿山压力重新分布规律,使保护层开采范围的被保护层瓦斯应力得到释放,促进高位瓦斯抽采,实现突出煤层开采过程和开采后的卸压消突。2)瓦斯运移理论研究。对煤岩体孔隙、裂隙在瓦斯运移过程中作用进行细观分析,提出了考虑裂隙作用的裂隙煤岩体流固耦合模型,建立其本构关系,并进行了裂隙煤岩体的固流耦合实验,结果表明,在有贯通裂隙的煤岩体中,瓦斯运移较快；孔隙煤岩体瓦斯运移滞后于裂隙煤岩体瓦斯运移的；揭示了孔隙单元有效体积应力、裂隙单元有效法向应力随渗流发展的时效演化规律。3)急倾斜突出煤层群开采中煤层顶板冒落带与裂隙带理论研究。基于卸压理论,进行了回采工作面竖向“三带”的实测和模拟。采用注水法测试了回采工作面冒落带和裂隙带的高度,冒落带高度为回采工作面采高的4-8倍,裂隙带高度为回采工作面采高的6-10倍；冒落带和裂隙带均有向工作面回风巷上方偏移的趋势。急倾斜煤层群的垂直“三带”有别于缓倾斜煤层,为急倾斜突出煤层群开采提供了个理论依据。4)新的回采工作面瓦斯涌出量预测方法研究。基于未确知测度理论,建立了回采工作面瓦斯涌出量的均值属性测度聚类预测模型。模型以样本均值为聚类中心,以熵权确定评价指标测度的权重,通过计算样本熵权综合测度与所属类别目标均值乘积之和获得瓦斯涌出量的预测值。实例分析表明,模型的预测值与实测值的误差较小,建模过程简单,便于实际工程应用。5)急倾斜突出煤层群保护层开采技术研究。急倾斜突出煤层群煤的开采首先是保护层的开采。以蛇形山煤矿为例,通过理论分析和技术经济比较,选取下保护层进行开采。现场实测和数值分析结果表明,下保护层开采后采场上部开采移动角减小,采场下部开采移动角增大,采场沿走向左右边界开采移动角分别减少,为矿井今后保护层开采提供了理论依据。6)煤与瓦斯共采的协同开采理论研究。在高位巷抽采瓦斯研究的基础上,首次提出了高位钻孔群煤与瓦斯协同开采理论与技术,并进行了现场实验。研究表明,该技术施工简单、快捷、易于掌握,且抽采的瓦斯浓度和瓦斯纯量等均得到显著的提高,既解决了保护层工作面回采过程中瓦斯超限问题,又为工作面采后被保护层瓦斯抽采提供新的思路。7)保护层开采时被保护层瓦斯作用机理研究。被保护层的瓦斯压力大小关系到保护层开采的成败。通过FLAC3D对不同被保护层瓦斯压力下的保护层开采进行了数值分析。结果表明,瓦斯压力增大可以加速致裂保护层顶板岩层,特别是被保护层瓦斯压力在大于2MPa时,加剧了保护层顶板岩层致裂,甚至造成突出。这就要求在保护层开采过程中,加强被保护层瓦斯的抽采,减少较高压力的瓦斯对保护层开采的危害。图118幅,表16个,公式42个,参考文献
【作者】谢东海；
【导师】冯涛；
【作者基本信息】中南大学，采矿工程，2013，博士
【关键词】急倾斜煤层；煤与瓦斯突出；卸压消突；保护层；瓦斯抽采；高位钻孔群；

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