頂板巷瓦斯抽采誘導遺煤自燃機制及擾動效應研究.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，進而得到了廣泛應用。但因頂板巷抽采瓦斯?jié)舛认鄬^低，抽采風流中含有較高濃度的氧氣，造成采空區(qū)漏風量增加，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)應力恢復特征、承壓破碎煤體滲透參數(shù)演化、自燃致災機制、抽采量及空間布置參數(shù)對采空區(qū)漏風、自燃氧化區(qū)域的擾動效應，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進展：
　　1）結合采空區(qū)氣-液-固三相環(huán)境和應力恢復特征，分析了應力場與煤自燃之間的關系，明確了采空區(qū)應力場對煤自燃的作用機制；結合頂板的空間位置及通風方式

3、，分析了頂板瓦斯巷抽采下采空區(qū)的漏風流動狀態(tài)、漏風通道存在模式及漏風動力的構成；基于采空區(qū)內(nèi)部垂向漏風通道及溫度梯度，提出及建立了內(nèi)生熱風壓理論及數(shù)學模型，識別了采空區(qū)漏風環(huán)境。
　　2）利用FLAC3D及巖體力學參數(shù)反演，在驗證模擬可靠的基礎上，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)置的漏風通道；在頂板巷瓦斯抽采下采空區(qū)漏風風流被分割為低位漏風與高位漏風并存，呈現(xiàn)立體漏風，并具有―一源兩匯‖的特征，建立了頂板巷破斷誘導漏風形成機制。
　　3）利用FLAC3D雙屈服本構關系，模擬分析了沿工作面走向不同開挖距離下采空區(qū)覆巖應力的變化特征及恢復狀態(tài)，結合工作面超前支撐應力監(jiān)測、巷道頂板位移監(jiān)測驗證了模擬結果，確定了采空區(qū)應力恢復距離及底板應力恢復曲線，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)與應力之間的函數(shù)關系；在此基礎上，結合采空區(qū)應力恢復曲線，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、滲透率的設置途徑提供了一種新的方法。
　　5）結合頂板巷瓦斯抽采誘導采空區(qū)漏風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遺煤自燃的致災機制。在頂板巷瓦

6、斯抽采下采空區(qū)高、低位漏風并存，一旦采空區(qū)煤氧復合發(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)錯距離對風排瓦斯、漏風、采空區(qū)煤自燃區(qū)域的影響效應。確定了瓦斯抽采量與漏風量之間的函數(shù)關系及對誘導漏風的影響特征；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；明確了頂板巷垂直高度、內(nèi)錯距對風排瓦斯與煤自燃的綜合影響效應。
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7、）通過瓦斯抽采量下的風排瓦斯特征、采空區(qū)漏風、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系，明確了瓦斯抽采與煤自燃共生矛盾的現(xiàn)實問題。以風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遺煤自燃機制及擾動效應。并基于瓦斯與煤自燃共生災害的協(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