采动区卸压瓦斯覆岩裂隙优势通道演化规律

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煤层回采过程中产生的采动卸压瓦斯涌向工作面,严重影响煤矿井下的安全生产,瓦斯抽采不仅能有效防止煤矿井下瓦斯灾害的发生,还能变废为宝,缓解因瓦斯排空造成的温室效应并增加煤层气清洁能源的应用。本论文采用理论分析、物理试验和现场实测相结合的方法研究了采动区卸压瓦斯覆岩裂隙优势通道演化规律,并基于上述研究结果提出了采动井井位层位的最佳布置方式。主要研究成果如下:通过理论分析、相似模拟试验研究采动过程中覆岩破断、裂隙发育及应力分布规律。覆岩梯形破断结构中的垮落带、过渡带及竖向破断区是卸压瓦斯运移的优势通道,压实区内瓦斯运移受阻,离层裂隙区是瓦斯的储存空间。覆岩裂隙在水平方向上,呈现出中间少、两边多的分布规律,在垂直方向上,随着与采场距离的减小,裂隙数量呈整体递增趋势,且裂隙形态更加丰富。采动过程中,在工作面前方覆岩会出现应力集中现象,应力集中随岩层埋深的增加更为明显,在工作面与采空区接触部分出现应力卸压现象,卸压区的后方为应力恢复区,此处应力逐渐恢复至原岩应力水平。开切眼处煤柱上方的覆岩应力随着工作面的推进逐渐增加,在首次来压及关键层完全承压时会发生突增。停采线处煤柱覆岩的支承应力随工作面推进会经历三个阶段:原岩应力阶段、应力缓增阶段、应力速增阶段。支承应力在纵向传递上有延后现象,距煤层越远延后现象越明显。应力集中区瓦斯流通受阻,原岩应力区瓦斯流动不受采动影响,应力卸压区瓦斯流通顺畅,是瓦斯运移优势通道。研究了采动覆岩位移演化分布规律。将工作面推进全过程中位移从大到小划分为红阶、黄阶、绿阶及青阶,发现位移分布形态有5种:勺型、峰型、梯型、两边型、锥台型,并依据位移分布将采场覆岩划分为垮落破断区、压实区、离层裂隙区及边界贯通区,其中垮落破断区及边界贯通区为瓦斯优势运移通道,离层裂隙区为瓦斯存储通道。采动井的层位布置应穿过青阶位移区进入边界贯通区内,可保障钻井不易破坏,且瓦斯抽采效率高。对山西某矿采动井抽采参数进行研究,将采动井全生命周期分为三个阶段:近距高效抽采、中距有效抽采、远距无效抽采。根据现场抽采数据结合前文分析得出的卸压瓦斯优势通道,优选出采动井的最佳井位、层位:采动井层位应布置在距采空区底部15.2m~27.4 m范围内,倾向上采动井井位布置在距回风巷25 m~60 m,在走向上第一口采动井井位布置在距开切眼30 m~59 m范围内,在走向上的布置间距为270 m。
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