近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征研究学院：资源与安全工程学院学号：TBP120101016作者：程志恒学科专业：采矿工程导师：齐庆新研究员赵景礼教授2015年6月中图分类号：dsfdffTD714密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征研究英文题目：StudyonCrackEvolutionandPermeabilityCharacteristicofProtectiveCoalSeamMininginCloseCoalSeamsGr

2、oup作者：程志恒学号：TBP120101016学科专业：采矿工程研究方向：煤与瓦斯共采导师：齐庆新职称：研究员赵景礼教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月8日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要多年的科学研究和工程实践证明，保护层卸压瓦斯抽采技术是煤与瓦斯突出、降低煤层瓦斯含量最有效、最经济的区域性防治措施。尽管近几十年来开展了大量的采动卸压瓦斯抽采现场试验，但对采动煤岩体应力变化、裂隙演化与卸压瓦斯流动相互作用的研究尚不够成熟，还无法为卸压瓦斯的高效抽采提供足够的理论基础和技术支持。本文针对高瓦斯、低渗透性煤层群条件，综合运用理论

3、分析、实验室相似模拟、数值分析和现场实测等研究手段，开展了对近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征的采动煤岩体应力场、裂隙场以及瓦斯渗流场的研究，初步获得了近距离煤层群条件下保护层开采后应力场、裂隙场与渗流场的时空变化规律，基于“三场”的研究结论，对被保护层进行了抽采钻孔参数优化，并在华晋焦煤沙曲煤矿成功地进行了试验，取得了显著的抽采效果。该研究成果丰富了上保护层开采理论，为离柳矿区及类似地质条件下的近距离煤层群保护层开采保护范围的确定和卸压瓦斯高效抽采提供了理论依据。论文主要研究内容及成果有：（1）将采场下伏煤岩体看做连续介质，建立了上保护层开采的下伏煤岩体非均匀载荷分布的力学模

4、型。采用Matlab进行数值求解，并绘制出底板不同位置处垂直应力分布曲线、沿走向底板不同深度水平应力以及剪应力分布曲线，分析得出采场下伏煤岩体底板垂直应力随垂直距离增加而减小，水平应力与垂直应力规律相似，而距保护层10m的岩层中剪应力水平最小，距保护层20m岩层中的剪应力值最大，距保护层30m的底板岩层中剪应力值则再次减小。（2）煤层群条件下，保护层与被保护层层间距不同是影响采动应力场的重要参数之一。通过对不同层间距对采动应力场影响可以得到：随着煤层间距的增大，工作面正上方卸压程度逐渐降低；煤层间距对上煤层顶板运移影响不明显，下煤层顶板位移和底板底鼓随煤层间距增大而减小。（3）以沙曲

5、矿地质条件为原型，基于相似理论，采用平面应变相似模拟实验平台进行了上保护层开采采动应力-裂隙的相似材料模型试验研究，该试验较真实的反映出煤层开采后采场下伏煤岩体及下被保护层的应力场以及裂隙场演化情况：保护层开采时（一次采动影响），工作面来压步距大，覆岩裂隙发育及顶底板卸压程度不充分，被保护层开采时（二次采动影响），工作面来压步距减小，覆岩裂隙发育及顶底板卸压程度充分，覆岩破碎程度高，两层煤开采时，覆岩裂隙频数均随工作面推进距离的增加而增大。叠加采动影响下，3+4号煤层高卸压程度阶段持续长度减少，约105m，但卸压程度更高，最大应力降低值可达12MPa，是2号煤层初采期间最大应力降低值

6、得1.5倍。3+4号煤层开采时顶底板岩层测线上卸I压程度仍高于2号煤层开采时的卸压程度，且均表现为距采空区两侧煤壁一定范围L内仍保持较高的应力降低现象，2号煤层开采时L范围较大，约30~40m，3+4号煤层开采时该卸压范围则减小至20~30m，保护层的采动对被保护层具有明显卸压作用。（4）通过数值模拟软件FLAC3D和UDEC，分析了保护层开采采场下伏煤岩体应力变化及裂隙演化规律，模拟结论表明：①工作面底板煤岩体的卸压深度、范围随工作面推进距离增大而增加，达到一定值时趋于稳定，2号煤层的开采对3+4号煤层产生卸压作用，且卸压程度大，卸压作用明显。②经过对各分区的裂隙的角度进行分析，可

7、以得出底板岩层中工作面前方的裂隙群以竖直方向的大角度裂隙为主，在对其进行抽采的时候，应该以水平方向或小角度的钻孔布置方能起到比较好的效果，在对卸压区小角度的裂隙进行抽采的时候，应该以竖直方向或大角度的钻孔布置为主，才能起到比较好的抽采效果，当采用底抽巷进行瓦斯抽采时，位于煤层底板的卸压区的瓦斯抽放钻孔抽采的效果应该最好。（5）基于Matlab对截取距离工作面不同距离各钻孔图像、距离工作面不同距离同一钻孔图像、距离工作面相同距离同一钻孔不同孔深处钻孔图像对采