【摘 要】
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我国众多矿区分布着构造煤与原生结构煤共存的软硬复合煤层,构造煤具有强度低、瓦斯放散初速度快、渗透率低及煤体蠕变变形剧烈等特征,导致构造煤发育区往往是煤与瓦斯突出的多发地带,如何预防软硬复合煤层的煤与瓦斯突出事故对于保障煤矿安全生产具有重要意义。本文针对软硬复合煤层瓦斯治理技术难题,以胡底矿为研究背景,系统研究了该矿构造煤分布规律及地质构造成因,开展了原生结构煤和构造煤的渗透率和力学特征的实验研究,
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我国众多矿区分布着构造煤与原生结构煤共存的软硬复合煤层,构造煤具有强度低、瓦斯放散初速度快、渗透率低及煤体蠕变变形剧烈等特征,导致构造煤发育区往往是煤与瓦斯突出的多发地带,如何预防软硬复合煤层的煤与瓦斯突出事故对于保障煤矿安全生产具有重要意义。本文针对软硬复合煤层瓦斯治理技术难题,以胡底矿为研究背景,系统研究了该矿构造煤分布规律及地质构造成因,开展了原生结构煤和构造煤的渗透率和力学特征的实验研究,采用相似模拟实验和数值模拟相结合的方法分析了软分层定位水力掏煤硬煤层变形破坏及应力演化特征,建立了软硬复合煤层瓦斯运移流固耦合模型,模拟分析了不同掏煤层位及不同掏煤直径条件下煤层渗透率及瓦斯运移规律,揭示了软硬复合煤层定位水力掏煤增透机理,制定了软硬复合煤层定位水力掏煤瓦斯抽采技术体系,在胡底矿进行了现场应用,取得了较好的瓦斯抽采应用效果。主要研究结论如下:（1）胡底矿3#煤层受顺层滑动构造影响,煤层顶板和底板附近各发育一层平均厚度为0.3m的构造煤,呈软-硬-软复合结构;构造煤的存在一方面增大了发生煤与瓦斯突出的危险性,另一方面在施工穿层钻孔进行抽采时,构造煤段煤体蠕变变形更为剧烈,容易堵塞瓦斯抽采通道,降低了瓦斯抽采效率。（2）煤体渗透率随加载应力的增加而逐渐减小,呈负指数函数关系,当加载应力由14MPa降低至2MPa时,原生结构煤的渗透率由0.27293m D逐渐增加至0.97497m D,增大了3.57倍;而构造煤的渗透率由0.00719m D快速增加至0.26533m D,增大了40倍,说明对煤体进行卸压可大幅度的提高煤层渗透率;在相同载荷作用下原生结构煤渗透率远高于构造煤,并且构造煤的应力敏感性更强,这是导致构造煤抽采效果远差于原生结构煤的一个重要原因。（3）原生结构煤的力学强度明显高于构造煤,原生结构煤的单轴抗压强度为构造煤的8.2倍,弹性模量是构造煤的6.7倍,内聚力是构造煤的2.01倍,泊松比是构造煤的77.8%。说明构造煤抵抗变形破坏的能力较弱,采用定位水力掏煤措施可以有效冲出煤体,对煤层进行卸压增透。（4）软分层在水射流的作用下容易被冲出,能够在煤层中形成卸压空间,随着掏煤直径的增加,掏煤孔洞底板出现底鼓,顶板出现下沉和垮落,原生结构煤层出现不均匀膨胀变形,裂隙逐渐发育贯通,可有效对煤层进行卸压增透,起到类似开采保护层的作用。在同等掏煤直径条件下,底部软分层掏煤对煤体的损伤破坏效果要优于顶部软分层掏煤,采用全组软分层掏煤时对煤体的损伤破坏效果要优于单组软分层掏煤,因此为了达到更好的增透效果,同等条件时首先考虑全组软分层掏煤。（5）综合考虑煤体变形、基质收缩效应及孔隙压力对渗透率的控制作用,建立了软硬复合煤层渗透率动态演化模型,考虑吸附瓦斯及Klinkenberg效应,采用质量守恒定律、Darcy定律、Langmuir方程、理想气体状态方程等理论建立了软硬复合煤层瓦斯运移流固耦合模型。以该模型为基础进行的数值模拟实验表明,采用软分层定位水力掏煤后,可以大幅度提高复合煤层的渗透率,采用全组软分层掏煤效果最佳;采用全组软分层定位水力掏煤技术,抽采时间为180d掏煤直径分别为2m、2.5m、3m、3.5m和4m时,有效抽采半径在常规钻孔2.83m的基础上增大为4.96m、6.02m、7.43m、8.62m和9.17m,分别增大了1.8倍、2.1倍、2.6倍、3.0倍和3.2倍,显著提高了瓦斯抽采效果。（6）研制了构造煤定位水力掏煤装备,解决了钻孔内掏煤方向的盲目性和层位定位的不确定性问题,制定了软硬复合煤层定位水力掏煤瓦斯抽采技术体系,优化了抽采钻孔布孔方式。工业性试验和应用效果考察结果显示,在压力18～20MPa和流量120～140L/min水射流条件下,单孔平均掏煤量达到2.6t/m,单孔平均瓦斯抽采纯量由0.03m~3/d提高到1.07m~3/d,增大了35.7倍,煤巷掘进工作面瓦斯预抽时间缩短了6个月,煤巷掘进速度提高了1.3倍,有效降低了突出性危险。该论文有图80幅,表22个,参考文献113篇。
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