單一高瓦斯厚煤層下保護層開采卸壓特性及瓦斯運移規律研究.pdf

1、結合保護層開采進行卸壓瓦斯抽采是最合理有效的區域瓦斯治理技術之一，在單一厚煤層開采礦區，由于無臨近煤層作為保護層，如何選擇合理的巖層作為保護層開采是在單一厚煤層開采過程中瓦斯治理的關鍵問題之一。本文以鶴壁礦區中泰公司下保護層開采為研究對象，結合關鍵層理論，采用理論分析、實驗室研究、數值模擬、相似模擬實驗、現場實測等方法，研究被保護層的裂隙發育規律、滲透特性和瓦斯運移特征。取得的主要研究成果如下：
　?。?）結合鶴壁礦區單一高瓦斯低

2、滲透性厚煤層長期無保護層開采的地質特點，提出了煤巖復合保護層開采區域瓦斯治理方法；理論計算得出，鶴壁中泰公司下保護層合理開采厚度1.5m，冒落帶最大高度為7.58m，裂隙帶高度為30.57～48.37m，保護層開采能有效增加二1煤層透氣性。
　?。?）保護層開采上覆巖層裂隙發育規律模擬研究表明，沿保護層工作面推進方向上形成裂隙開啟區、裂隙發育區、裂隙萎縮區和裂隙閉合區四個區域；被保護層處在保護層開采的裂隙帶上部或彎曲下沉帶下部，走

3、向卸壓角為70°，傾向上山卸壓角為55～64°，傾向下山卸壓角為68～78°，膨脹變形率最高達到26.37‰。
　?。?）基于煤的孔—裂隙雙重介質物理模型，建立了考慮煤層有效應力、吸附膨脹效應和外載應力共同控制下的煤體滲透率模型，得出保護層開采過程中被保護層瓦斯滲透率隨煤層應力的變化規律。
　?。?）應用“含瓦斯煤巖三軸伺服滲流”實驗裝置，對煤樣進行了含瓦斯條件下的不同圍壓滲透特性試驗，研究了原煤煤樣在模擬地應力場中的瓦斯滲

4、流特性；實驗表明，峰值破壞前，隨著煤樣膨脹變形增大，瓦斯滲透率先減小，后緩慢增加，煤樣破裂后，煤樣中瓦斯滲流通道數目增多，通道的橫截面積增大，瓦斯滲透率急劇增大，瓦斯滲透率與膨脹變形率的變化近似為線性關系。根據煤樣不同強度階段，將瓦斯透氣性分為穩定吸附階段、滲流衰減階段、瓦斯滲流緩增階段、滲流突增階段、滲流穩增階段及滲流激增階段6個階段。
　?。?）基于流體力學和流固耦合力學理論，建立了氣固耦合滲透率動態模型，運用多物理場耦合軟件

5、COMSOL Multiphysics，分析采動卸壓與鉆孔抽采雙重條件下瓦斯流場變化特征與卸壓效果；結果表明，隨著保護層工作面不斷推進，在采動卸壓與鉆孔抽采（鉆場間距40m）雙重作用下，被保護煤層內游離瓦斯以及解吸瓦斯不斷向采空區及鉆孔內運移，被保護層瓦斯壓力不斷降低，卸壓范圍不斷擴大。當工作面推進到140m時，在卸壓與抽采雙重作用下，被保護層卸壓范圍內瓦斯壓力基本降低到了突出壓力0.74MPa以下。
　?。?）現場巖層裂隙探測和

6、鉆孔窺視結果表明，保護層開采后，被保護層最大膨脹率達到27.4‰；保護層卸壓影響范圍內鉆孔多環向、軸—環向交錯裂縫，部分地方孔壁破壞嚴重，淺部離層較為明顯，保護層卸壓影響范圍外鉆孔裂縫較少，多處孔壁光滑，說明保護層開采對被保護層起到了很好的卸壓作用，被保護層煤層及其頂底板裂隙發育充分，有利于被保護層瓦斯運移和瓦斯抽采。
　?。?）現場實測瓦斯抽采參數結果表明，被保護層瓦斯抽采參數變化規律與保護層開采礦壓顯現規律相對應，保護層工作面