頂板巷瓦斯抽采誘導(dǎo)遺煤自燃機制及擾動效應(yīng)研究.pdf

1、在我國高瓦斯與煤自燃共存礦井占有一定比例，頂板巷瓦斯抽采技術(shù)在解決采空區(qū)瓦斯涌出及上隅角瓦斯超限問題上具有一定優(yōu)勢，進而得到了廣泛應(yīng)用。但因頂板巷抽采瓦斯?jié)舛认鄬^低，抽采風(fēng)流中含有較高濃度的氧氣，造成采空區(qū)漏風(fēng)量增加，這給采空區(qū)煤自燃的發(fā)生帶來了隱患。由此可見，頂板巷瓦斯抽采雖然可解決瓦斯問題，但卻可能引發(fā)采空區(qū)漏風(fēng)及自燃問題。
　　因此，本文針對頂板巷瓦斯抽采下采空區(qū)煤自燃的問題，從采空區(qū)遺煤堆積環(huán)境出發(fā)，通過理論、實測、實驗

2、、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對頂板巷瓦斯抽采下的煤自燃環(huán)境、覆巖冒落及頂板巷破斷的空間演化、采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)特征、承壓破碎煤體滲透參數(shù)演化、自燃致災(zāi)機制、抽采量及空間布置參數(shù)對采空區(qū)漏風(fēng)、自燃氧化區(qū)域的擾動效應(yīng)，合理瓦斯抽采量等方面進行了研究。通過上述研究，在以下幾個方面取得了相應(yīng)進展：
　　1）結(jié)合采空區(qū)氣-液-固三相環(huán)境和應(yīng)力恢復(fù)特征，分析了應(yīng)力場與煤自燃之間的關(guān)系，明確了采空區(qū)應(yīng)力場對煤自燃的作用機制；結(jié)合頂板的空間位置及通風(fēng)方式

3、，分析了頂板瓦斯巷抽采下采空區(qū)的漏風(fēng)流動狀態(tài)、漏風(fēng)通道存在模式及漏風(fēng)動力的構(gòu)成；基于采空區(qū)內(nèi)部垂向漏風(fēng)通道及溫度梯度，提出及建立了內(nèi)生熱風(fēng)壓理論及數(shù)學(xué)模型，識別了采空區(qū)漏風(fēng)環(huán)境。
　　2）利用FLAC3D及巖體力學(xué)參數(shù)反演，在驗證模擬可靠的基礎(chǔ)上，分析了覆巖隨回采距離變化的冒落狀態(tài)、裂隙發(fā)育高度、頂板巷面收縮率，確定了頂板巷破斷冒落特征及滯后距離。根據(jù)頂板巷的破斷演化特征，發(fā)現(xiàn)頂板巷滯后采空區(qū)一定距離，與工作面、冒落煤巖間形成一條

4、內(nèi)置的漏風(fēng)通道；在頂板巷瓦斯抽采下采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流被分割為低位漏風(fēng)與高位漏風(fēng)并存，呈現(xiàn)立體漏風(fēng)，并具有―一源兩匯‖的特征，建立了頂板巷破斷誘導(dǎo)漏風(fēng)形成機制。
　　3）利用FLAC3D雙屈服本構(gòu)關(guān)系，模擬分析了沿工作面走向不同開挖距離下采空區(qū)覆巖應(yīng)力的變化特征及恢復(fù)狀態(tài)，結(jié)合工作面超前支撐應(yīng)力監(jiān)測、巷道頂板位移監(jiān)測驗證了模擬結(jié)果，確定了采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)距離及底板應(yīng)力恢復(fù)曲線，識別了采空區(qū)破碎煤體的承壓狀態(tài)。
　　4）利用自主設(shè)計研

5、發(fā)的承壓破碎煤體滲流測試裝置，開展了承壓破碎煤體變形、滲流實驗，獲得了逐級加載下破碎煤體的碎脹系數(shù)、空隙率、滲透率的演化規(guī)律，建立了碎脹系數(shù)與應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)曲線，建立了采空區(qū)碎脹系數(shù)、空隙率、滲透率的分布模型，為采空區(qū)空隙率、滲透率的設(shè)置途徑提供了一種新的方法。
　　5）結(jié)合頂板巷瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)的形成機制及采空區(qū)煤自燃的多場耦合理論，建立了頂板巷瓦斯抽采誘導(dǎo)遺煤自燃的致災(zāi)機制。在頂板巷瓦

6、斯抽采下采空區(qū)高、低位漏風(fēng)并存，一旦采空區(qū)煤氧復(fù)合發(fā)生，致使采空區(qū)內(nèi)蓄熱及溫度升高，促使煤的低溫氧化的進一步發(fā)生、發(fā)展，最可終導(dǎo)致煤自燃的發(fā)生。
　　6）全面系統(tǒng)地分析了抽采量、頂板巷垂直高度及內(nèi)錯距離對風(fēng)排瓦斯、漏風(fēng)、采空區(qū)煤自燃區(qū)域的影響效應(yīng)。確定了瓦斯抽采量與漏風(fēng)量之間的函數(shù)關(guān)系及對誘導(dǎo)漏風(fēng)的影響特征；掌握了瓦斯抽采量對采空區(qū)煤自燃氧化區(qū)域擾動效應(yīng)；明確了頂板巷垂直高度、內(nèi)錯距對風(fēng)排瓦斯與煤自燃的綜合影響效應(yīng)。
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7、）通過瓦斯抽采量下的風(fēng)排瓦斯特征、采空區(qū)漏風(fēng)、自燃氧化區(qū)域的變化規(guī)律，分析了瓦斯抽采量與煤自燃間的關(guān)系，明確了瓦斯抽采與煤自燃共生矛盾的現(xiàn)實問題。以風(fēng)排瓦斯的安全許可濃度、采空區(qū)可接受氧化帶寬度為控制邊界，建立了頂板巷合理瓦斯抽采量理論模型。
　　通過上述研究，識別了頂板巷瓦斯抽采誘導(dǎo)遺煤自燃機制及擾動效應(yīng)。并基于瓦斯與煤自燃共生災(zāi)害的協(xié)同防治，建立了合理瓦斯抽采量理論模型，這對合理設(shè)置頂板巷抽采量、協(xié)調(diào)采空區(qū)瓦斯抽采與煤自燃之間