煤层覆岩采动破断及瓦斯流动规律_工业技术

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前言

我国煤炭生产行业瓦斯灾害十分严重，每年直接经济损失约20亿元，间接经济损失100亿元以上，如河南省平顶山矿区多次发生煤与瓦斯突出事故，不仅直接造成了大量的人员伤

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1　绪　论

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1.1　研究目的及意义

我国是一个煤炭资源大国，也是一个以煤为主要能源的国家。随着国民经济的发展，对能源的需求越来越大，预计到2020年，我国煤炭生产规模将达到34亿t。因此，在煤炭资

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1.2　国内外研究现状

Bai M，Palch ik V和Yavuz H等分析了煤层开采后覆岩存在的3个不同移动带的特点。刘天泉院士、钱鸣高院士等提出了“横三区”“竖三带”的特征。近年

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1.2.1　煤岩体力学性质试验研究

王吉渊等利用含瓦斯煤三轴伺服渗流系统，对突出型煤试件进行不同围压的三轴压缩试验，得出围压对煤样的弹性模量、峰值强度和变形特性都有一定程度的影响且煤样的弹性模量、

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1.2.2　瓦斯渗流规律

煤层瓦斯渗流理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论，但至今尚未形成一门独立而完善的学科体系。煤层瓦斯渗流力学自创立至今深受采矿界和力学界的关注

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1.2.3　相似材料模拟方面的研究现状

高明中等运用试验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移

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1.2.4　瓦斯流动数值模拟方面的研究现状

采空区瓦斯浓度分布的数值解算也经历了一个逐步认识和发展的过程。章梦涛从场流角度给出了瓦斯运移定解条件及Galerkin有限元解法，早于波兰人J.Roszkows

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1.2.5　采动裂隙场实地深测技术研究现状

欧美发达国家于20世纪中期开始研究成像测井技术，并且尝试将这种技术引入油气勘探钻孔的探测领域。1969年，Mobil公司的Zemanek等用超声成像技术研究出第

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1.3　研究技术路线

1）研究内容本书通过现场与试验室的研究获取煤岩体的物理力学参数及瓦斯的渗流规律，在这些参数基础上进行相似模型试验及理论分析，研究煤岩体的破坏规律和瓦斯运移规律

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1.4　研究背景

项目依据平煤神马集团矿井具体情况，选取典型矿，通过试验室大型相似试验、现场试验与监测、多场耦合理论分析与数值模拟相结合的手段，在多煤层开采过程中，系统研究卸压区

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2　采动条件下煤岩体力学性质试验

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2.1　试件制备

在现场调研、收集相关地质资料及生产资料的同时，在机巷、风巷、切眼取煤样、岩样，共取原煤样2.0 t及300 kg顶底板岩石样。同时，根据研究计划，针对现场开采情

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2.2　试验设备

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2.2.1　MTS815岩石力学试验系统

试验所采用设备为美国生产的MTS815岩石力学试验系统，该设备的轴向最大载荷为2 800 kN，最大围压为80 MPa，最大孔隙水压为80 MPa，最高温度可达

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2.2.2　RLW-2000M微机控制煤岩流变试验机

RLW-2000M微机控制煤岩流变试验机是研究煤和岩石在多种环境下流变特性的试验设备（图2.6）。该设备可自动完成煤或岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、循环载荷

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2.3　卸围压条件下煤岩力学性质试验

含瓦斯煤岩的力学性质包括含瓦斯煤岩的变形特性和强度特征。由于在采矿工程和地下工程中，岩石材料（或煤岩材料）一般都处于受压的三维应力状态，因此，本书着重研究含瓦斯

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2.4　微机控制电液伺服煤岩三轴蠕变试验

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2.4.1　试验目的

煤层回采过程中，会出现初次来压、周期来压等矿山压力显现过程。煤岩体经历了卸荷—瞬间加载—周期加载—破坏的全过程。煤岩体的这种破坏过程表现为煤岩体的周期加载蠕变破

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2.4.2　试验方案

试验在重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室的RLW-2000M微机控制煤岩流变试验机上完成。试验按如下步骤完成： ①使用游标卡尺分别测量圆柱形试件长度L

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2.4.3　试验结果

（1）无水压条件下通过试验机完成了稳定蠕变及卸围压蠕变，其试验条件如表2.1所示。稳定蠕变试验中，先将围压与轴压加载到预定荷载12 MPa，然后增加轴压24

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3　卸围压煤岩体中瓦斯渗流试验

在进行煤岩体力学试验时，多是在无瓦斯情况下进行的，而采煤现场的煤岩体都处在瓦斯环境中，且瓦斯是处于流动状态的；煤岩体所处的应力状态都在弹性阶段，而在采煤现场，随

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3.1　含瓦斯煤岩体加卸载试验

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3.1.1　试验设备

制样设备为钻孔机和磨石机，加载设备采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置，测量设备主要是游标卡尺。含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置

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3.1.2　试验步骤

（1）试件安装为保证气密性，先用704硅橡胶将岩样试件侧面抹一层1 mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将岩样小心放置于三轴压力室中支撑轴上，用一段比岩样

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3.1.3　卸围压试验方法

在含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置上，用热缩管将表面涂一层均匀硅胶的煤样密封后，安装环向引伸计，然后将煤样放入三轴压力室，关闭试件出气管阀门。将轴向的万向

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3.2　卸围压煤岩体孔隙瓦斯渗流规律

含瓦斯煤层可视为含复杂、不规则的固流多相介质，在上覆岩层和压力、构造应力和瓦斯压力的共同作用下处于稳定状态。在煤矿生产中放散出来的煤层气又称为矿井瓦斯，是影响和

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3.2.1　试件体积变形

多孔介质的孔隙度是指孔隙体积和多孔介质的总体积之比。从瓦斯流动角度来看，只有相互连通的孔隙才是有意义的，因此下文中提到的孔隙度表示的是有效连通孔隙与多孔介质（煤

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3.2.2　原煤试件卸围压试验前扫描电镜观测

扫描电镜是一种新型的电子光学仪器，它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像分辨率高、景深大等特点。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在地学、生物学、医学、冶金学等学

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《煤层覆岩采动破断及瓦斯流动规律》简介

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