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

1、突出礦井開(kāi)采進(jìn)入深部后，礦井的瓦斯動(dòng)力災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重，在深部煤層群開(kāi)采中，保護(hù)層開(kāi)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(hù)層開(kāi)采保護(hù)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(hù)層開(kāi)采保護(hù)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(diǎn)，以煤層瓦斯多場(chǎng)耦合及層間瓦斯越流理論為基礎(chǔ)，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、物理相似模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)考察試驗(yàn)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(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍的變化規(guī)律；并結(jié)合南桐礦區(qū)硯石臺(tái)煤礦的現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，開(kāi)展了深部煤層群上保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍劃定方法的對(duì)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(guò)程中溫度變化對(duì)煤層瓦斯流動(dòng)的影響，建立了考慮啟動(dòng)瓦斯壓力梯度的熱流固（THM）多場(chǎng)耦合模型；為了減少模型方程的未知量個(gè)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(guò)程中溫度場(chǎng)控制方程的解吸微分熱能項(xiàng)的理論表達(dá)式，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，為上保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層瓦斯越流奠定了理論基礎(chǔ)；研究結(jié)果表明，啟動(dòng)瓦斯壓力梯度對(duì)上保護(hù)層開(kāi)采煤層瓦斯流動(dòng)具有重要影響。
　?、诳紤]到深部保護(hù)層開(kāi)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(shí)，對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)；利用

4、巴西劈裂、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)及物理相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)彈粘塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；通過(guò)數(shù)值模擬分析求解單個(gè)單元的結(jié)果與一維模型的理論求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從實(shí)驗(yàn)和理論上驗(yàn)證了本構(gòu)模型及二次開(kāi)發(fā)代碼編寫(xiě)的正確性；在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，將本構(gòu)模型應(yīng)用于保護(hù)層工作面開(kāi)采后煤巖體損傷、流變、斷裂、垮落的數(shù)值計(jì)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(hù)范圍有增加的趨勢(shì)。
　?、劾脧椪乘苄該p傷本構(gòu)模型和煤層瓦斯流動(dòng)

5、多場(chǎng)耦合模型研究了深部不同傾角煤層群上保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)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(dòng)多場(chǎng)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(chǎng)耦合運(yùn)移情況下被保護(hù)層內(nèi)的瓦斯參數(shù)分布規(guī)律；研究結(jié)果表明，上保護(hù)層開(kāi)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(jī)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?。贿@些裂隙為保護(hù)層開(kāi)采的瓦斯運(yùn)移提供了通道，有

6、利于瓦斯從層間裂隙排放到保護(hù)層采空區(qū)，使得被保護(hù)層保護(hù)范圍向傾向下山方向偏移。
　　④利用物理相似模擬方法研究了不同傾角煤層群上保護(hù)層開(kāi)采煤巖變形破壞規(guī)律和保護(hù)范圍變化的影響，得到了煤層群上保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)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(hù)層工作面上邊界卸壓角呈減小趨勢(shì)，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(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍的位置均有向下山方向偏移的趨勢(shì)，偏移的大小隨煤層傾角的增大呈先增大