深部不同傾角煤層群上保護層開采保護范圍變化規(guī)律與工程應(yīng)用.pdf

1、突出礦井開采進入深部后，礦井的瓦斯動力災(zāi)害越來越嚴(yán)重，在深部煤層群開采中，保護層開采是突出礦井瓦斯防治首選區(qū)域措施。受高地應(yīng)力、高瓦斯壓力及煤層低透氣性影響，深部煤層群保護層開采保護范圍的變化規(guī)律比淺埋煤層情況更加復(fù)雜。為了研究深部煤層群保護層開采保護范圍的變化規(guī)律及其劃定方法，本文以煤巖體彈粘塑性損傷斷裂本構(gòu)理論為切入點，以煤層瓦斯多場耦合及層間瓦斯越流理論為基礎(chǔ)，采用理論分析、實驗室實驗、物理相似模擬試驗、現(xiàn)場考察試驗相結(jié)合的研究方

2、法，研究了在高地應(yīng)力、高瓦斯壓力和煤巖蠕變破壞斷裂條件下深部煤層群上保護層開采保護范圍的變化規(guī)律；并結(jié)合南桐礦區(qū)硯石臺煤礦的現(xiàn)場工程試驗，開展了深部煤層群上保護層開采保護范圍劃定方法的對比分析研究。本文的主要研究成果和結(jié)論有：
　?、贋榱司_描述深部煤層低滲透性、煤體瓦斯解吸過程中溫度變化對煤層瓦斯流動的影響，建立了考慮啟動瓦斯壓力梯度的熱流固（THM）多場耦合模型；為了減少模型方程的未知量個數(shù)，基于熱力學(xué)的兩能態(tài)理論推導(dǎo)了瓦斯排

3、放過程中溫度場控制方程的解吸微分熱能項的理論表達式，并對模型進行實驗驗證分析，為上保護層開采被保護層瓦斯越流奠定了理論基礎(chǔ)；研究結(jié)果表明，啟動瓦斯壓力梯度對上保護層開采煤層瓦斯流動具有重要影響。
　?、诳紤]到深部保護層開采煤巖層損傷斷裂、垮落和煤巖蠕變特性，建立了考慮廣義Kelvin流變特性和基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則的煤巖體彈粘塑性損傷特性的本構(gòu)模型，并推導(dǎo)了本構(gòu)模型的三維應(yīng)力更新形式，同時，對本構(gòu)模型進行了二次開發(fā)；利用

4、巴西劈裂、單軸壓縮實驗及物理相似模擬實驗對彈粘塑性損傷本構(gòu)模型進行了實驗驗證；通過數(shù)值模擬分析求解單個單元的結(jié)果與一維模型的理論求解結(jié)果進行對比，從實驗和理論上驗證了本構(gòu)模型及二次開發(fā)代碼編寫的正確性；在驗證模型正確的基礎(chǔ)上，將本構(gòu)模型應(yīng)用于保護層工作面開采后煤巖體損傷、流變、斷裂、垮落的數(shù)值計算分析研究，研究結(jié)果表明，在煤巖體流變特性的影響下，傾向卸壓角所確定的保護范圍有增加的趨勢。
　?、劾脧椪乘苄該p傷本構(gòu)模型和煤層瓦斯流動

5、多場耦合模型研究了深部不同傾角煤層群上保護層開采保護范圍的變化規(guī)律；將彈粘塑性損傷本構(gòu)模型和煤層瓦斯流動多場滲流與越流理論相結(jié)合，采用數(shù)值模擬分析方法，得出了考慮煤巖體流變、斷裂、垮落以及煤層瓦斯多場耦合運移情況下被保護層內(nèi)的瓦斯參數(shù)分布規(guī)律；研究結(jié)果表明，上保護層開采煤巖體裂隙分布在工作面頂板傾向上下邊界處及采空區(qū)中部和底板傾向下部機巷處裂隙較為發(fā)育，從傾向底部到采空區(qū)中部裂隙分布逐漸減小；這些裂隙為保護層開采的瓦斯運移提供了通道，有

6、利于瓦斯從層間裂隙排放到保護層采空區(qū)，使得被保護層保護范圍向傾向下山方向偏移。
　?、芾梦锢硐嗨颇M方法研究了不同傾角煤層群上保護層開采煤巖變形破壞規(guī)律和保護范圍變化的影響，得到了煤層群上保護層開采保護范圍隨煤層傾角變化的規(guī)律；研究結(jié)果表明，隨煤層傾角的增加，上保護層工作面上邊界卸壓角呈減小趨勢，下邊界卸壓角先增大再降低，且卸壓角的變化幅度較大；保護層開采保護范圍的位置均有向下山方向偏移的趨勢，偏移的大小隨煤層傾角的增大呈先增大