裂隙煤巖體損傷演化與滲流耦合試驗研究.pdf

1、煤與瓦斯突出作為礦井生產(chǎn)中的自然災害，是制約煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的重要因素。隨著開采深度的增加，地下開采的條件和技術(shù)方法不斷惡化，煤與瓦斯突出的次數(shù)和強度將會不斷增加，防突問題已成為國內(nèi)外學者十分關(guān)注并為此付出巨大精力和代價的研究課題。另一方面，煤層氣是一種十分有用的清潔能源，且我國煤層氣儲量巨大，與陸上天然氣資源總量相當。此外，煤層氣主要成分為 CH4，作為溫室氣體的一種，如果任意排放不加以利用，會對環(huán)境造成惡劣影響。因此，在煤炭生

2、產(chǎn)過程中將抽采的瓦斯加以利用，無疑會取得安全生產(chǎn)、經(jīng)濟與環(huán)境的多贏局面。本文選擇平煤集團天安煤業(yè)十二礦的己15-17200工作面為主要研究對象，針對覆巖在采動影響下的裂隙煤巖體的損傷演化與滲流耦合之間的關(guān)系進行研究，采用理論模型建立，實驗室試驗和數(shù)值模擬試驗相結(jié)合的方法對平煤集團煤與瓦斯共采實踐進行深入探討，提出煤層開采卸壓區(qū)瓦斯抽采優(yōu)化設計方案，并通過現(xiàn)場試驗進行實地驗證，證明效果較好。取得成果如下：
　　①平煤集團己15煤層工

3、作面前方主要分為卸壓區(qū)，應力集中區(qū)，和原巖應力區(qū)。并利用空心包體應變計法測量己15煤層瓦斯專巷的地應力狀態(tài)，為后續(xù)研究提供科學依據(jù)。
　?、诶煤咚姑簾崃鞴恬詈先S滲流試驗裝置進行了不同軸壓，不同圍壓，不同瓦斯?jié)舛鹊娜S滲流試驗，試驗結(jié)果能夠有效模擬現(xiàn)場實際條件。建立了加卸載條件下原煤損傷演化和瓦斯?jié)B流耦合模型，并基于 BFGS法進行驗證，結(jié)果表明，該模型能夠有效反映卸圍壓原煤峰后損傷演化和瓦斯?jié)B流規(guī)律。
　?、圩灾餮邪l(fā)的

4、連續(xù)加壓恒壓煤巖流變試驗裝置，運行穩(wěn)定，恒壓效果好，試驗結(jié)果準確。所研制的五連桿擴力系統(tǒng)，最大擴力可達到250倍，可解決一般恒壓加載較小的缺點。并利用該設備進行了單軸穩(wěn)定蠕變試驗和三軸穩(wěn)定蠕變試驗，并建立五元件粘彈塑性蠕變損傷本構(gòu)模型，經(jīng) BFGS算法驗證，可能夠有效反映裂隙巖體蠕變損傷-滲流耦合規(guī)律。
　?、苡上嗨颇Ｐ驮囼炛苯禹敽屠享攷r梁破壞的主要形式均為拉破壞，并且頂板翼端產(chǎn)生裂紋有向中間集中相交形成裂隙拱的趨勢。結(jié)合 CX

5、K6-Z鉆孔成像儀對上覆巖體的破斷規(guī)律進行現(xiàn)場觀測知，煤層回采后上覆巖層形成的斷裂帶內(nèi)破斷裂隙和離層裂隙共生，其中斷裂帶上部以離層裂隙為主，下部以破斷裂隙為主，且覆巖采動裂隙中穿層破斷裂隙和巖層層面離層裂隙相互貫通，處于彎曲下沉帶的巖體產(chǎn)生離層裂隙和層內(nèi)破斷裂隙幾率較大，產(chǎn)生層間破斷裂隙較少。
　　⑤對采動卸壓區(qū)瓦斯主要來源以及含量進行了分析，確定了煤層開采卸壓區(qū)的主要來源包括工作面的瓦斯涌出、采空區(qū)的瓦斯涌出和鄰近煤層瓦斯涌出三

6、大類，并且得到了各類瓦斯涌出的基本表達式。煤層覆巖的卸壓帶和煤層底板的局部化共同組成了瓦斯運移和富集主要區(qū)域。隨著工作面不斷推進，瓦斯形成了一個類似裂隙拱區(qū)域的流量拱區(qū)域。流量拱區(qū)域具有明顯的不對稱性，靠近工作面的區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。
　?、藿Y(jié)合己15-17200工作面的實際地質(zhì)條件，采用順層預抽鉆孔和底抽巷穿層預抽鉆孔區(qū)域瓦斯抽采措施相結(jié)合的方式進行瓦斯抽采實踐。在此基礎上，提出利用既有瓦斯專巷條件下的煤層卸壓區(qū)穿層鉆孔的瓦斯抽采