近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究
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摘要
我国是世界上瓦斯灾害最为严重的国家之一,瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要因素。尤其是近距离煤层群保护层开采后,由于层间距很小,保护层与被保护层之间的部分岩石裂缝是垂直层面的,离保护层一定距离内,这些裂缝能彼此贯通,直至与保护层采空区连通,提供了解吸瓦斯涌向保护层开采空间的通道,这就使得煤层透气性增大数十到数百倍,提高了瓦斯的排放能力。邻近层瓦斯大量涌出,更是给工作面瓦斯治理工作带来了困难。
本文通过实验室相似材料模拟试验对近距离煤层群采动裂隙场时空演化规律进行系统研究,在戊9,10煤层下铺设一层弹簧,通过弹力模拟下部戊9、10煤岩瓦斯压力对戊8煤向上的膨胀能,考察了下邻近层瓦斯压力高(1.5MPa)的情况下,顶底板岩层位移及裂隙场演化关系,解决了采动过程中的应力变化造成的底板位移不明显的问题。
采用针对非连续介质模拟的离散元数值计算程序UDEC3.0,模拟近距离煤层群上保护层开采过程中覆岩垮落动态发展过程,得出了底板和覆岩破裂移动规律,及随保护层工作面推进,被保护层煤体应力和变形分布特征。
近距离煤层群上部煤层开采后,煤层底板应力状态也经历一系列的变化过程,正常回采阶段底板岩体分别处于压缩一卸压膨胀—恢复阶段,且随着工作面的推进重复出现。煤层底板受开采矿压作用,岩层连续受到周期性破坏。在对近距离煤层群煤层底板破裂规律分析的基础上,提出了“底板导气破裂带”的概念,由于“底板导气破裂带”的存在,下部煤层的透气性将成百上千倍的提高,下部瓦斯将顺着裂隙进入上部空间。
在对上覆岩层回采工作面围岩应力分布、移动特征分为四区、三带的基础上,提出了针对近距离煤层群开采的“四区、四带”的模型。即水平方向各区为原始应力区、集中应力区、应力降低区、应力恢复区。近距离煤层群由上向下按其破坏程度可分为四个带,即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带和底板破裂导气带。
通过理论分析和数值模拟,系统的将开采煤层和近距离煤层卸压储集和运移规律与采动覆岩移动、裂隙演化过程有机的结合起来,发现了近距离保护层开采过程中的煤岩体裂隙动态时空演化分布规律及瓦斯流动规律,揭示了近距离保护层开采上隅角瓦斯积聚原因。在前人研究成果的基础上,提出了“回”型圈的概念,即在一矩形框内存在有一定宽度的一环状的裂隙发育区域,而在裂隙圈的中部是离层裂隙是压实的。随着开采工作面的向前推进,顶板覆岩裂隙区要经过了卸压、失稳、起裂、张裂、裂隙萎缩、变小、吻合、封闭的演化过程;瓦斯储集也经过了通过裂隙流动网络进入裂隙区、集聚、饱和、溢出、压出等运输过程。“回”型裂隙圈是动态的,瓦斯运输和储集也是动态变化的。
采用Fluent流体模拟软件对几种不同工作面通风系统风流流场及瓦斯浓度分布规律进行了分析研究,在此基础上,提出了Y+Γ型工作面通风方式,揭示了Y+Γ型通风方式治理瓦斯的机理,推导出了专用瓦斯排放巷与工作面瓦斯允许浓度不一致时的配风量计算公式和主、辅助进风巷的配风比。
根据近距离煤层群采动裂隙场和瓦斯流动场的时空耦合规律,提出了高瓦斯近距离煤层群保护层瓦斯治理的新模式:即采用顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯为高位治理措施;工作面Y+Γ型通风为中位措施;底板卸压层抽采卸压瓦斯为低位措施。高位、中位和低位措施配合实现近距离煤层群卸压瓦斯的“三位一体”的立体综合治理,实现了近距离煤层群安全开采的目的。
The gas disaster of Chinese coalmine is most severe in the world. Gas is one of the most important factors threatening the safety production of coalmine. Especially after short distance protection layer mining, the coal seam permeability improves dozens to hundreds of times, which increases the gas discharging ability. The gas emission of adjacent seams brings more difficulty of gas control.
By laboratory simulation, the space-time evolution laws of mining fissure field of short distance seams are researched. The evolution laws between displacement and fissure field are investigated in case of high gas pressure of lower adjacent coal seam.
The UDEC3.0 designed for non-continuum simulation was adopted to simulate the dynamic development process of Overlying Strata collapsing when mining protective layer of close distance coal seams. The fracturing or moving rules of floor and overlying strata, as well as the stress and reformative distribution of protective mine layers are concluded with the advancement of protective working face.
The pressure relief reservoir and migration rule and overlying strata movement and fissures evolution process are closely related through the theoretical analysis and the numerical simulation. The time-space evolution laws of coal and rock fissure and gas migration law are found in the course of mining. The gas accumulation rule in the upper corner is revealed.
The airflow field and gas concentration distribution law of several different working face ventilation systems are studied by the fluid simulation software of Fluent. On the basis of analysis, the Y+Γshaped ventilation style is put forward and the gas preventive mechanism of Y+Γshaped ventilation is revealed.
According to the time-space coupling laws between mining dynamic fissure field and gas flow field, a new protective layer gas control model is brought up. Including drainage fracture zone gas along the roof direction as high level treatment measure, Y+Γshaped ventilation in working face as middle level measure, pump pressure relief gas in floor relieved seam as low level measure. Through the cooperation of three measures, the stereoscopic comprehensive management of trinity in the process of gas pressure-relief in short-distance seam groups is realized, and reach the goal of safety mining .
本文通过实验室相似材料模拟试验对近距离煤层群采动裂隙场时空演化规律进行系统研究,在戊9,10煤层下铺设一层弹簧,通过弹力模拟下部戊9、10煤岩瓦斯压力对戊8煤向上的膨胀能,考察了下邻近层瓦斯压力高(1.5MPa)的情况下,顶底板岩层位移及裂隙场演化关系,解决了采动过程中的应力变化造成的底板位移不明显的问题。
采用针对非连续介质模拟的离散元数值计算程序UDEC3.0,模拟近距离煤层群上保护层开采过程中覆岩垮落动态发展过程,得出了底板和覆岩破裂移动规律,及随保护层工作面推进,被保护层煤体应力和变形分布特征。
近距离煤层群上部煤层开采后,煤层底板应力状态也经历一系列的变化过程,正常回采阶段底板岩体分别处于压缩一卸压膨胀—恢复阶段,且随着工作面的推进重复出现。煤层底板受开采矿压作用,岩层连续受到周期性破坏。在对近距离煤层群煤层底板破裂规律分析的基础上,提出了“底板导气破裂带”的概念,由于“底板导气破裂带”的存在,下部煤层的透气性将成百上千倍的提高,下部瓦斯将顺着裂隙进入上部空间。
在对上覆岩层回采工作面围岩应力分布、移动特征分为四区、三带的基础上,提出了针对近距离煤层群开采的“四区、四带”的模型。即水平方向各区为原始应力区、集中应力区、应力降低区、应力恢复区。近距离煤层群由上向下按其破坏程度可分为四个带,即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带和底板破裂导气带。
通过理论分析和数值模拟,系统的将开采煤层和近距离煤层卸压储集和运移规律与采动覆岩移动、裂隙演化过程有机的结合起来,发现了近距离保护层开采过程中的煤岩体裂隙动态时空演化分布规律及瓦斯流动规律,揭示了近距离保护层开采上隅角瓦斯积聚原因。在前人研究成果的基础上,提出了“回”型圈的概念,即在一矩形框内存在有一定宽度的一环状的裂隙发育区域,而在裂隙圈的中部是离层裂隙是压实的。随着开采工作面的向前推进,顶板覆岩裂隙区要经过了卸压、失稳、起裂、张裂、裂隙萎缩、变小、吻合、封闭的演化过程;瓦斯储集也经过了通过裂隙流动网络进入裂隙区、集聚、饱和、溢出、压出等运输过程。“回”型裂隙圈是动态的,瓦斯运输和储集也是动态变化的。
采用Fluent流体模拟软件对几种不同工作面通风系统风流流场及瓦斯浓度分布规律进行了分析研究,在此基础上,提出了Y+Γ型工作面通风方式,揭示了Y+Γ型通风方式治理瓦斯的机理,推导出了专用瓦斯排放巷与工作面瓦斯允许浓度不一致时的配风量计算公式和主、辅助进风巷的配风比。
根据近距离煤层群采动裂隙场和瓦斯流动场的时空耦合规律,提出了高瓦斯近距离煤层群保护层瓦斯治理的新模式:即采用顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯为高位治理措施;工作面Y+Γ型通风为中位措施;底板卸压层抽采卸压瓦斯为低位措施。高位、中位和低位措施配合实现近距离煤层群卸压瓦斯的“三位一体”的立体综合治理,实现了近距离煤层群安全开采的目的。
The gas disaster of Chinese coalmine is most severe in the world. Gas is one of the most important factors threatening the safety production of coalmine. Especially after short distance protection layer mining, the coal seam permeability improves dozens to hundreds of times, which increases the gas discharging ability. The gas emission of adjacent seams brings more difficulty of gas control.
By laboratory simulation, the space-time evolution laws of mining fissure field of short distance seams are researched. The evolution laws between displacement and fissure field are investigated in case of high gas pressure of lower adjacent coal seam.
The UDEC3.0 designed for non-continuum simulation was adopted to simulate the dynamic development process of Overlying Strata collapsing when mining protective layer of close distance coal seams. The fracturing or moving rules of floor and overlying strata, as well as the stress and reformative distribution of protective mine layers are concluded with the advancement of protective working face.
The pressure relief reservoir and migration rule and overlying strata movement and fissures evolution process are closely related through the theoretical analysis and the numerical simulation. The time-space evolution laws of coal and rock fissure and gas migration law are found in the course of mining. The gas accumulation rule in the upper corner is revealed.
The airflow field and gas concentration distribution law of several different working face ventilation systems are studied by the fluid simulation software of Fluent. On the basis of analysis, the Y+Γshaped ventilation style is put forward and the gas preventive mechanism of Y+Γshaped ventilation is revealed.
According to the time-space coupling laws between mining dynamic fissure field and gas flow field, a new protective layer gas control model is brought up. Including drainage fracture zone gas along the roof direction as high level treatment measure, Y+Γshaped ventilation in working face as middle level measure, pump pressure relief gas in floor relieved seam as low level measure. Through the cooperation of three measures, the stereoscopic comprehensive management of trinity in the process of gas pressure-relief in short-distance seam groups is realized, and reach the goal of safety mining .
引文
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