石門(mén)揭煤過(guò)程煤與瓦斯突出的注液凍結(jié)防治理論及技術(shù)研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是指在壓力作用下，煤礦井下采掘過(guò)程中破碎的煤和瓦斯由煤體內(nèi)突然向采掘空間大量噴出的一種動(dòng)力現(xiàn)象。它是煤礦生產(chǎn)中所面臨的一種主要的瓦斯災(zāi)害。
　　 石門(mén)揭煤過(guò)程煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度高、強(qiáng)度大。隨著煤礦往深部開(kāi)采，我國(guó)現(xiàn)有石門(mén)揭煤防突措施較難通過(guò)超前抽排放瓦斯達(dá)到減少煤層瓦斯含量和降低煤層瓦斯壓力而有效防突。本論文針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有防突技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)石門(mén)揭煤過(guò)程煤與瓦斯突出機(jī)理、煤層注水工藝過(guò)程和人工土凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，提

2、出了石門(mén)揭煤注液凍結(jié)防突方法，在理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)該方法的理論基礎(chǔ)和技術(shù)的可行性進(jìn)行了深入研究，其主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 (1)石門(mén)揭煤過(guò)程煤與瓦斯突出的動(dòng)力能量主要由彈性應(yīng)變能和瓦斯膨脹能組成。瓦斯突出的主要能源來(lái)自于瓦斯的膨脹能。根據(jù)煤與瓦斯突出能量平衡式，石門(mén)揭煤過(guò)程瓦斯突出發(fā)生與否主要取決于瓦斯突出動(dòng)力源與突出消耗能在動(dòng)態(tài)醞釀過(guò)程中能否保持平衡。瓦斯突出能量量變或者突變到某臨界能量值，其大于

3、瓦斯流突破裂隙角聯(lián)通道所需的消耗能量，瓦斯突出就能瞬時(shí)或者延時(shí)發(fā)生；
　　 (2)石門(mén)揭煤工作面待揭的突出煤層注水凍結(jié)后，將從增加突出煤層瓦斯吸附量V、降低突出煤層瓦斯壓力P、降低突出煤層瓦斯放散初速度△p、提高突出煤層力學(xué)性能、降低卸壓區(qū)瓦斯突出危險(xiǎn)性等方面有效防突；
　　 (3)用改造后的WY-98A吸附常數(shù)測(cè)定儀，首次獲取了低溫條件下(T≤0℃)煤的CH4吸附常數(shù)a、b值。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，當(dāng)溫度T≤0℃時(shí)，煤對(duì)CH4

4、等溫吸附曲線仍屬于第Ⅰ類吸附等溫線，可以用Langmuir方程來(lái)表征煤對(duì)CH4的低溫吸附模型。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：不同溫度時(shí)，同一煤樣在相同壓力下，吸附量與溫度呈近似線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨溫度降低，煤吸附甲烷能力提高；
　　 (4)通過(guò)注水凍結(jié)成型煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其受壓后變形分為四個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段。隨著凍結(jié)溫度的降低，成型煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都明顯增大；泊松比的變化不明顯，但整體成減

5、小趨勢(shì)。凍結(jié)溫度低于-20℃時(shí)，成型煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量增加不明顯；
　　 (5)通過(guò)水泥槽模型煤體凍結(jié)實(shí)驗(yàn)表明：凍結(jié)區(qū)形成以凍結(jié)管中心為圓心、半徑為R沿徑向隨時(shí)間擴(kuò)展的凍煤圓柱。隨著凍結(jié)管不斷的供冷，凍煤圓柱直徑不斷增加，凍煤圓柱內(nèi)的溫度逐步下降，槽中煤、瓦斯和水三相體最終變成堅(jiān)硬凍結(jié)體，極大地提高了其抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能。同一凍結(jié)時(shí)間，距離凍結(jié)管越近，煤體獲得冷量越多，煤體溫度越低；
　　 (6)應(yīng)用

6、東北大學(xué)氣固耦合巖石破裂過(guò)程RFPA2D分析軟件，建立了石門(mén)揭煤瓦斯突出過(guò)程氣固耦合作用的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)凍結(jié)區(qū)突出煤層物理力學(xué)性能參數(shù)，數(shù)值模擬了注液凍結(jié)后龍家山煤礦-400水平2號(hào)石門(mén)揭露不同溫度的6凍結(jié)煤層過(guò)程。數(shù)值模擬表明：注液凍結(jié)后煤層溫度下降到-15℃以下時(shí)，該石門(mén)揭煤工作面將不會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出；
　　 (7)應(yīng)用ANSYS有限元程序，根據(jù)龍家山煤礦-400水平2號(hào)石門(mén)揭煤工作面施工參數(shù)，建立了凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)

7、算模型，分析了不同時(shí)期凍結(jié)區(qū)溫度擴(kuò)展云圖，得出不同凍結(jié)時(shí)間凍結(jié)區(qū)有效范圍、平均溫度、交圈時(shí)間及擴(kuò)展速度。數(shù)值模擬表明：距離中心越近，凍結(jié)區(qū)煤層溫度下降越快。把-15℃作為石門(mén)揭煤注液凍結(jié)防突工程煤層控制溫度，該石門(mén)揭煤工作面大概需要35-40天凍結(jié)時(shí)間才能滿足防突要求；
　　 (8)石門(mén)揭煤工作面待揭的突出煤層注水凍結(jié)后，將減少煤與瓦斯突出的瓦斯動(dòng)力源，增加煤層抵抗瓦斯突出的阻力，從而有效防治石門(mén)揭煤過(guò)程煤與瓦斯突出。因此，結(jié)合