深部开采煤层瓦斯压力场特征研究与应用

《深部开采煤层瓦斯压力场特征研究与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文深部开采煤层瓦斯压力场特征研究与应用学院：资源与安全工程学院学号：TBP120101020作者：马海峰学科专业：采矿工程导师：谢广祥教授2015年6月中图分类号：TD821密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：深部开采煤层瓦斯压力场特征研究与应用英文题目：ResearchonCharacteristicsofGasPressureFieldInDeepCoalSeamMiningAndApplication作者：马海峰学号：TBP120101020学科专业：采矿工程

2、研究方向：矿山压力与岩层控制导师：谢广祥职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月6日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要本文运用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的研究方法，对深部开采煤层瓦斯压力场特征与应用进行了系统深入的研究。开展了不同应力状态下瓦斯压力及流动特性与应力的相关性研究；在瓦斯压力实测数据的基础上，基于地球物理反演理论，建立了瓦斯压力场二元高阶多项式反演数学模型，对煤层瓦斯压力场进行了反演研究，获得了瓦斯压力场的三维分布特征及其控制方程；揭示了煤层瓦斯压力的采动应力响应规律；基于煤岩体所处的应力状态、

3、瓦斯压力、物理力学性质等主要影响因素，分析了动力灾害发生的危险性和动力灾害的类型；依据煤层瓦斯压力赋存条件和工作面的开采顺序，建立了煤层瓦斯压力赋存特征的数值计算模型，通过数值模拟再现了各工作面依次开采过程中煤层瓦斯压力的分布特征及瓦斯压力场的宏观演化；针对石门揭煤容易诱发动力灾害的难题，以轨道上山下部车场石门揭煤为背景，提出了石门揭煤水力冲孔减压动力灾害防控技术，并在现场进行了试验，取得了明显的消突效果。论文的主要研究内容与取得的结论如下：1.分析了煤层瓦斯压力及流动特性的应力相关性基于等效驱替原理，建立方向性渗透率计算模型；采用理论分析和数值模拟研究不同应力状态下流

4、动特性及瓦斯压力分布的应力相关性。主要结论如下：（1）基于等效驱替原理建立了方向渗透率的定量计算模型，可反映空间内任意方向所对应的渗透率矢量。（2）煤层内存在优势流动效应，优先沿着裂隙的走向方向流动。当裂隙所受的应力朝着有利于裂隙张开的方向变化时，优势效应逐渐增强，应力对裂隙的流动和瓦斯压力分布的影响大于孔隙，应力控制着煤层的流动场和瓦斯压力的总体分布形态。（3）同一应力状态相同时刻，煤层内瓦斯压力的大小依次为：贯通的裂隙＞部分连通的裂隙＞孔隙介质；应力对贯通裂隙的流动场和瓦斯压力分布影响最大，部分连通的裂隙次之，孔隙介质最小，即其影响程度依次为：贯通的裂隙＞部分连通的

5、裂隙＞孔隙介质。（4）同一应力状态下，裂隙内渗流速度明显大于部分连通的裂隙和孔隙内的渗流速度，存在速度优势效应，应力控制着煤层渗流速度场的分布特征。2.基于地球物理反演理论，建立了瓦斯压力场反演数学模型，获得了煤层瓦斯压力曲面的控制方程和空间分布形态。在瓦斯压力实测数据的基础上，基于地球物理反演原理，采用阻尼最小二乘法对煤层瓦斯压力场进行反演与预测研究；依据地应力测量成果，采用多元线性I回归反演方法，对井田初始地应力场分布规律进行模拟研究；在煤层瓦斯压力场与地应力场模拟成果的基础上，分析地应力场对瓦斯压力场分布特征的影响规律。主要结论如下：（1）针对煤层瓦斯压力场反演问

6、题的不适定性，基于地球物理反演理论，建立了煤层瓦斯压力场二元高阶多项式反演数学模型，形成了一种基于阻尼最小二乘法的二元高阶多项式瓦斯压力场反演方法。（2）根据瓦斯压力实测数据，基于阻尼最小二乘法的二元高阶多项式反演方法对煤层静态瓦斯压力场律进行了反演研究，获得了瓦斯压力场的整体分布特征，得到了煤层瓦斯压力场三维分布特征的控制方程，可对盘区内其他地点煤层瓦斯压力进行有效预测。（3）煤层所处的应力状态对瓦斯压力梯度具有明显影响，在煤层内形成了具有一定方向性的瓦斯压力梯度，揭示了煤层最大瓦斯压力梯度与最大水平主应力近似垂直的规律。3.揭示了煤层瓦斯压力的采动应力响应规律以煤层

7、开采技术条件和瓦斯赋存条件为背景，采用数值模拟的方法研究采动应力场的分布和演化规律、瓦斯压力的响应特征；基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质等主要影响因素，分析各因素所起作用的大小及其对应的容易诱发的动力灾害类型。主要结论如下：（1）在煤层开采过程中，应力和瓦斯压力均出现了局部升高和降低的现象，均经历了先增大后减小并随煤层的开采不断向前规律性移动的动态演化过程。在应力状态演化的过程中，瓦斯压力随之变化，应力状态的变化控制着瓦斯压力的演化，瓦斯压力受控于应力的演化。（2）采掘扰动影响下，瓦斯在煤岩体内产生的相互交叉的裂隙网