平煤十礦保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律與保護(hù)效果研究

全日制碩士學(xué)位論文 平煤十礦平煤十礦保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律瓦斯運(yùn)移規(guī)律與與保護(hù)保護(hù)效果效果研究研究 Study on the Law of Gas Migration and the Preventive effect of Protective Seam mining of No.10 mining in PingDingShan 申請(qǐng)人姓名：李振興 指導(dǎo)教師：魏風(fēng)清 學(xué)位類別：工學(xué)碩士 專業(yè)名稱：礦業(yè)工程 研究方向：礦山安全技術(shù)及工程 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 二二一一三三年年六六月月河 南 理 工 大 學(xué)河 南 理 工 大 學(xué) 學(xué) 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明學(xué) 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文：平煤十礦保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律與保護(hù)效果研究，是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。論文中除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。其他同志對(duì)本研究的啟發(fā)和所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。本人愿意承擔(dān)因本學(xué)位論文引發(fā)的一切相關(guān)責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名學(xué)位論文作者簽名:年年 月月 日日 河南理工大學(xué) 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本學(xué)位論文作者及導(dǎo)師完全了解河南理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留和向有關(guān)部門、機(jī)構(gòu)或單位送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，允許將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和傳播，允許采用任何方式公布論文內(nèi)容，并可以采用影印、縮印、掃描或其他手段保存、匯編、出版本學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)。學(xué)位論文作者簽名學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名導(dǎo)師簽名：年年 月月 日日 年年 月月 日日 中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TD713 密密 級(jí)級(jí)：公開(kāi)公開(kāi) UDC：?jiǎn)挝淮a單位代碼：10460 平煤十礦保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律與保護(hù)平煤十礦保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律與保護(hù)效果研究效果研究 Study on the Law of Gas Migration and the Preventive effect of Protective Seam mining of No.10 mining in PingDingShan 申請(qǐng)人姓名申請(qǐng)人姓名李振興李振興 申請(qǐng)學(xué)位申請(qǐng)學(xué)位 工學(xué)碩士工學(xué)碩士 學(xué) 科 專 業(yè)學(xué) 科 專 業(yè)礦業(yè)工程礦業(yè)工程 研究方向研究方向 礦山安全技術(shù)及工程礦山安全技術(shù)及工程 導(dǎo)導(dǎo) 師師魏風(fēng)清魏風(fēng)清 職職 稱稱 教高教高 提 交 日 期提 交 日 期2013.6 答辯日期答辯日期 2013.6 河南理工大學(xué) 致致 謝謝 三年的研究生學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，母校提供的學(xué)習(xí)氛圍，讓我充滿了感激之情。首先深深的感謝我的導(dǎo)師魏風(fēng)清教授在生活、學(xué)習(xí)上的對(duì)我的指導(dǎo)幫助，論文的完成離不開(kāi)魏風(fēng)清的全方位指導(dǎo)。導(dǎo)師魏風(fēng)清教授嚴(yán)于律己的高尚品格、嚴(yán)肅認(rèn)真的處事態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度深深的時(shí)刻感染著我。魏風(fēng)清以引導(dǎo)為主，啟發(fā)性的教育方法讓我受益匪淺！在三年的研究生學(xué)習(xí)中，不僅豐富了我的專業(yè)知識(shí)，還使我有更多的機(jī)會(huì)接觸到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。在三年時(shí)光中，魏風(fēng)清老師和師母高偉老師在生活上也給予了我無(wú)微不至的關(guān)懷。在此，向魏風(fēng)清和高老師表達(dá)我最真摯的敬意和感謝！感謝史廣山老師、三年來(lái)對(duì)我學(xué)習(xí)和生活上的幫助，以及在我論文撰寫(xiě)過(guò)程中給予的指導(dǎo)。感謝師兄弟在我論文寫(xiě)作中所給予的幫助，三年的學(xué)習(xí)和生活中，感謝有你們的陪伴。感謝瓦斯地質(zhì)研究所的張子敏、張玉貴等老師，對(duì)我畢業(yè)論文的指導(dǎo)以及在學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行的耐心的指導(dǎo)和幫助，激勵(lì)著我。他們對(duì)生活的熱情，對(duì)事業(yè)的追求深深的感染者我！感謝瓦斯地質(zhì)研究所的所有老師們！感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給予的關(guān)心、幫助和指導(dǎo)；感謝本文完成過(guò)程中引用過(guò)的參考文獻(xiàn)的作者，是他們卓有成效的科研成果使我深受啟發(fā)！感謝中平能化十礦的各位領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員為本論文的撰寫(xiě)提供的大力支持！感謝我的父母及親人，是他們無(wú)私的愛(ài)支持著我！對(duì)于曾經(jīng)幫助、指導(dǎo)過(guò)我的老師、朋友，未能一一提及，在此一并致上深深的感謝！感謝和朋友一起走過(guò)的歲月！感謝在百忙之中評(píng)閱本文的各位專家、教授，對(duì)參加我論文答辯的各位評(píng)委表示衷心的感謝！I 摘摘 要要 煤與瓦斯突出是煤礦井下最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，保護(hù)層開(kāi)采是最經(jīng)濟(jì)有效的區(qū)域性防突措施。保護(hù)層開(kāi)采的關(guān)鍵是瓦斯運(yùn)移規(guī)律和保護(hù)效果的研究，本文以平煤十礦戊組煤層保護(hù)層開(kāi)采為研究背景，研究了保護(hù)層開(kāi)采的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，考察了保護(hù)層開(kāi)采的卸壓效果。應(yīng)用 COMSOL Multiphysics 軟件中的巖土力學(xué)模塊，對(duì)保護(hù)層開(kāi)采后周圍煤巖層的應(yīng)力應(yīng)變變化進(jìn)行了模擬。得出被保護(hù)層沿傾向及走向應(yīng)力場(chǎng)分布和應(yīng)變位移場(chǎng)分布，并根據(jù)頂?shù)装宸ㄏ蛭灰频贸霰槐Ｗo(hù)層膨脹變形量和卸壓角。根據(jù)煤層中瓦斯流動(dòng)理論，采用 COMSOL 多孔彈性模型，分別對(duì)保護(hù)層開(kāi)采不同開(kāi)挖深度以及不同層間距下被保護(hù)層瓦斯壓力分布及瓦斯流速矢量場(chǎng)進(jìn)行了模擬，研究了被保護(hù)煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律。根據(jù)十礦戊組煤層實(shí)際情況，介紹了保護(hù)層及被保護(hù)層回采及掘進(jìn)過(guò)程中安全技術(shù)措施。通過(guò)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層煤層殘余瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性系數(shù)等瓦斯參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)被保護(hù)層瓦斯涌出資料、鉆孔瓦斯涌出初速度 Q 和鉆屑量 S 等突出危險(xiǎn)性驗(yàn)證數(shù)據(jù)整理分析，研究了被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性及卸壓保護(hù)效果。以上研究表明，保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層得到充分卸壓和瓦斯釋放，在卸壓區(qū)內(nèi)消除了突出危險(xiǎn)性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：保護(hù)層開(kāi)采；瓦斯運(yùn)移規(guī)律；應(yīng)力應(yīng)變；保護(hù)效果 V Abstract Coal and gas outburst is one of the worst natural disaster in the coal mine,and protective layer mining is one of the most economic and effective regional outburst prevention measures.The key problem encountered in extracting protective seam mining is to study the law of gas migration and effect.This paper take protective seam mining of the No.10 mining in PingDingShan as the research background,researched the law of gas migration and the preventive effect of the protective layer mining.Through the method of the COMSOL Multiphysics software.In this paper,simulation on changes in the stress and strain of the surrounding coal and rock under the mining of upper protective E9 coal seam.Acpuired the result of along the tendency and direction stress field distribution,the direction of principal stress and strain displacement field distribution,the total displacement direction of the protective layer E10 coal seam.And then acpuired protective layer expansion deformation according to the normal displacement of roof and floor,then studied the scope of protection.According to the theory of gas flow in coal seam,using COMSOL in porous elastic model,simulated gas pressure distribution and gas occurrence of the protected coal seam with different excavation depth of mining and different layer spacing between the protective layer and protective layer,studied the protected coal seam gas migration rule and the gas flow velocity vector field,then concluded that protectived layer corresponding to residual gas pressure change trend.According to the actual circumstance of E coal seam,this paper introduced the safety technical measures in the process of mining and excavation.by the way of testing the residual gas pressure,gas content and permeability coefficient of the gas field test parameters of protective coal seam after the protective layer mining in the field,and collection and analysis the highlight the risk verification number of protective gas emission data,borehole gas emission velocity q valueand drilling cuttings S value,studied the outburst danger and the effect of pressure relief protection after the protective layer mining.The above studies have shown that the protected seam has been relief,the protective seam mined,and gas has been released to eliminate coal and gas outburst.Keywords:Protective seam mining；Law of gas migration；Stress-strain；Preventive effect V 目目 錄錄 摘摘 要要.I I 目目 錄錄.V V 1 1 引引 言言.1 1 1.1 研究背景及意義.1 1.2 保護(hù)層開(kāi)采研究現(xiàn)狀.2 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀.3 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.4 1.3 本文主要研究的內(nèi)容.7 1.4 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn).7 1.5 技術(shù)路線.8 2 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件.9 9 2.1 礦井概況.9 2.2 煤層頂?shù)装鍘r性特征.9 2.3 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù).11 2.4 保護(hù)層工作面情況.13 2.4.1 保護(hù)層回采瓦斯涌出量預(yù)測(cè).14 2.4.2 保護(hù)層開(kāi)采的必要性.17 2.4.3 保護(hù)層開(kāi)采的可行性.18 3 3 上保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍數(shù)值模擬上保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍數(shù)值模擬.2121 3.1 數(shù)值模擬軟件介紹.21 3.2 屈服準(zhǔn)則.22 3.3 保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模型.24 3.3.1 沿走向保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬.24 3.3.2 沿傾向保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬.28 3.4 本章小結(jié).32 4 4 上保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬上保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬.3333 4.1 瓦斯賦存與運(yùn)移.33 4.1.1 瓦斯流動(dòng)理論.34 VI 4.1.2 多孔彈性模型.35 4.2 保護(hù)效果數(shù)值模擬.36 4.2.1 模型與假設(shè).36 4.2.2 模擬結(jié)果.37 4.3 本章小結(jié).45 5 5 保護(hù)層開(kāi)采安全技術(shù)措施保護(hù)層開(kāi)采安全技術(shù)措施.4747 5.1 保護(hù)層安全技術(shù)措施.47 5.1.1 保護(hù)層掘進(jìn)期間安全技術(shù)措施.47 5.1.2 保護(hù)層回采期間安全技術(shù)措施.47 5.2 被保護(hù)層安全技術(shù)措施.49 5.2.1 被保護(hù)層掘進(jìn)期間安全技術(shù)措施.49 5.2.2 被保護(hù)層回采期間安全技術(shù)措施.49 5.3 局部綜合防突措施.50 5.3.1 工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè).51 5.3.2 工作面防突措施.53 5.3.3 工作面防突措施效果檢驗(yàn).53 5.3.4 安全防護(hù)措施.54 5.4 本章小結(jié).54 6 6 保護(hù)效果考察與驗(yàn)證保護(hù)效果考察與驗(yàn)證.5555 6.1 研究?jī)?nèi)容及方案設(shè)計(jì).55 6.1.1 考察內(nèi)容.55 6.1.2 技術(shù)方案設(shè)計(jì).56 6.2 測(cè)試結(jié)果.56 6.2.1 殘余瓦斯含量.56 6.2.2 殘余瓦斯壓力.57 6.2.3 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)測(cè)試.59 6.2.4 透氣性系數(shù)測(cè)試.60 6.2.5 絕對(duì)瓦斯涌出量.62 6.3 被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性研究與驗(yàn)證.63 6.3.1 煤層賦存與開(kāi)采情況.63 VII 6.3.2 被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性參數(shù)測(cè)定.63 6.3.3 被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià).64 6.3.4 被保護(hù)層區(qū)域驗(yàn)證.64 6.4 本章小結(jié).66 7 7 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.6767 7.1 主要結(jié)論.67 7.2 展望.67 7.2.1 尚需研究的問(wèn)題.67 7.2.2 應(yīng)用前景.68 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).6969 作者簡(jiǎn)歷作者簡(jiǎn)歷.7373 一一、基本情況基本情況.7373 二二、學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文.7373 三三、研究項(xiàng)目研究項(xiàng)目.7373 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集學(xué)位論文數(shù)據(jù)集.7575 1 引言 1 1 引 言 1.1 研究背景及意義 我國(guó)是煤炭資源儲(chǔ)量大國(guó)，煤炭作為我國(guó)的主要能源，建國(guó)以來(lái)，在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期占70%左右，煤炭工業(yè)一直都是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。據(jù)煤炭行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)煤炭產(chǎn)量約占一次能源生產(chǎn)總量的78.6，煤炭消費(fèi)總量約占一次能源消費(fèi)總量的72.81。我國(guó)也是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭產(chǎn)量是美國(guó)的三倍，2006年達(dá)23.8億噸2，2007年煤炭消費(fèi)量25.8億噸3，2008年達(dá)27.93億噸4，2009年全國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到30.50億噸5。2010年全國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到32.40億噸6。2011年全國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到35.20億噸，根據(jù)中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)通告，2012年全國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到36.6億噸。預(yù)計(jì)到2020年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量翻兩番，對(duì)煤炭的需求也將翻一番，煤炭生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有關(guān)鍵性的地位。由于煤炭需求的日益增加，煤礦采深不斷增大，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井逐漸增多，所面臨的煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。特別是開(kāi)采高瓦斯低透氣性突出煤層的礦井，煤與瓦斯突出已成為嚴(yán)重威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。近年來(lái)我國(guó)煤礦瓦斯治理的力度不斷加大，煤與瓦斯突出事故和死亡人數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是導(dǎo)致群死群傷的煤與瓦斯突出死亡事故仍然難以遏制，防突工作依然緊迫而艱巨。我國(guó)2000年2010年共發(fā)生煤與瓦斯突出死亡事故381起，死亡2210人7，其中2010年共發(fā)生19起，死亡105人。煤與瓦斯突出是指在很短時(shí)間內(nèi)煤巖體內(nèi)的煤和瓦斯突然噴出到采掘空間，伴隨有聲響和大量能量釋放的復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，影響其發(fā)生的三大自然因素包括地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，是煤礦井下最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。通常表現(xiàn)為在煤礦井巷掘進(jìn)或采煤過(guò)程中，煤（巖）和瓦斯（二氧化碳）突然向采掘空間快速噴出，煤層中處于高壓狀態(tài)的瓦斯伴隨煤巖會(huì)沖垮巷道設(shè)施，造成煤流埋人。突出伴隨大量瓦斯造成氧濃度降低致人窒息、風(fēng)流逆轉(zhuǎn)或引起瓦斯爆炸，嚴(yán)重的人員傷亡和礦井損毀事故。它與礦山壓力、煤巖體的孔隙結(jié)構(gòu)破壞特征、煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯的吸附解吸特性、煤巖層溫度等均有密切關(guān)系814。目前世界上各主要產(chǎn)煤國(guó)對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，以便為突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防突措施的制定與實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，主要有以下四個(gè)學(xué)說(shuō)：瓦斯主導(dǎo)學(xué)說(shuō)、地應(yīng)力主導(dǎo)學(xué)說(shuō)、能量學(xué)說(shuō)和綜合作用假說(shuō)。其中綜合作用假說(shuō)是河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 各國(guó)普遍認(rèn)可的學(xué)說(shuō)，認(rèn)為煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理學(xué)性質(zhì)綜合作用下發(fā)生的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。隨著開(kāi)采深度的遞增，地應(yīng)力、瓦斯和物理學(xué)性質(zhì)等煤層賦存條件愈加復(fù)雜，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井逐漸增多，如何采取有效措施實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)成為擺在采礦工作者面前的首要任務(wù)。按作用范圍劃分，煤與瓦斯突出的防治有區(qū)域措施和局部措施，目前，我國(guó)采用的區(qū)域措施有開(kāi)采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯。而開(kāi)采保護(hù)層是最為經(jīng)濟(jì)、有效的區(qū)域措施。根據(jù)防治煤與瓦斯突出規(guī)定第四十條，“區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用開(kāi)采保護(hù)層15”；根據(jù)煤礦安全規(guī)程第八十三條，“開(kāi)采煤層群時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇無(wú)沖擊地壓或弱沖擊地壓煤層作為保護(hù)層開(kāi)采”。根據(jù)煤礦安全規(guī)程（2011），對(duì)于有突出危險(xiǎn)性的煤層，應(yīng)采取開(kāi)采保護(hù)層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域防突措施，并且應(yīng)同時(shí)抽采被保護(hù)層瓦斯16。根據(jù)防治煤與瓦斯突出規(guī)定（2009），區(qū)域防突措施應(yīng)優(yōu)選開(kāi)采保護(hù)層。首次開(kāi)采保護(hù)層的礦井，必須對(duì)保護(hù)范圍、保護(hù)效果進(jìn)行考察15。具有保護(hù)層開(kāi)采條件的突出危險(xiǎn)煤層或礦井，應(yīng)強(qiáng)制開(kāi)采保護(hù)層結(jié)合預(yù)抽煤層瓦斯的措施。保護(hù)層是指預(yù)先開(kāi)采的，能使相鄰的有突出危險(xiǎn)的煤層受到采動(dòng)影響而減少或喪失突出危險(xiǎn)性的煤層，即在掘進(jìn)和回采有突出危險(xiǎn)的煤層之前，在時(shí)間及空間上均超前開(kāi)采且位于有突出危險(xiǎn)性煤層的頂板或底板內(nèi)的煤層17。保護(hù)層開(kāi)采的首要目的是卸壓，在卸壓的基礎(chǔ)上釋放被保護(hù)層的瓦斯壓力。開(kāi)采保護(hù)層的區(qū)域性防治煤與瓦斯突出突措施由法國(guó)于1933年首次采用，自此世界各國(guó)，對(duì)于有開(kāi)采保護(hù)層條件的突出煤層，均效仿采用開(kāi)采保護(hù)層這一經(jīng)濟(jì)、有效的防突技術(shù)措施18。我國(guó)于1958年在北票、重慶礦區(qū)的試驗(yàn)，取得了顯著成效，并在全國(guó)推廣和應(yīng)用。1997年開(kāi)展了開(kāi)采遠(yuǎn)程下保護(hù)層上向卸壓。1998年針對(duì)高瓦斯煤層群開(kāi)展了上保護(hù)層下向卸壓開(kāi)采。2001年開(kāi)展了急傾斜煤層開(kāi)采保護(hù)層卸壓。保護(hù)層開(kāi)采后，改變了鄰近煤巖層及瓦斯賦存平衡條件，鄰近煤巖層卸壓變形產(chǎn)生大量裂隙，釋放被保護(hù)層瓦斯，使高突、低透煤層變成為低突或無(wú)突、高透煤層，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，這在諸多工程實(shí)踐中得到充分證實(shí)。因此對(duì)保護(hù)層開(kāi)采的瓦斯運(yùn)移規(guī)律和保護(hù)效果的研究，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和進(jìn)一步研究保護(hù)層開(kāi)采防治煤與瓦斯突出具有重要意義。1.2 保護(hù)層開(kāi)采研究現(xiàn)狀 1 引言 3 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 保護(hù)層開(kāi)采是最經(jīng)濟(jì)、有效的區(qū)域性防突措施，在開(kāi)采時(shí)突出礦井煤層群被廣泛應(yīng)用。1933年法國(guó)首次試驗(yàn)開(kāi)采保護(hù)層的方法防止煤與瓦斯突出，隨后蘇聯(lián)、波蘭、德國(guó)等國(guó)陸續(xù)開(kāi)始研究和推廣保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)在防治煤與瓦斯突出工程中的應(yīng)用。至今保護(hù)層開(kāi)采防突技術(shù)已經(jīng)歷近80年的發(fā)展。我國(guó)1958年先后在多個(gè)礦區(qū)開(kāi)展了保護(hù)層開(kāi)采的試驗(yàn)研究并取得了顯著成效，此后又向全國(guó)適宜礦區(qū)進(jìn)行了推廣。保護(hù)層開(kāi)采后，會(huì)對(duì)采空區(qū)周圍的煤巖層產(chǎn)生一定的卸壓作用，同時(shí)會(huì)在保護(hù)層的上方和下方一定范圍內(nèi)產(chǎn)生離層裂隙和豎直裂隙，該范圍內(nèi)煤巖層的物理狀態(tài)和參數(shù)會(huì)發(fā)生一定的變化，對(duì)于被保護(hù)層來(lái)說(shuō)，就會(huì)改變被保護(hù)層該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)和煤層瓦斯參數(shù)，使被保護(hù)層喪失或降低危險(xiǎn)性，對(duì)于這樣的范圍稱之為保護(hù)范圍。保護(hù)層開(kāi)采的必要條件是保護(hù)層工作面采高大于圍巖的總變形量。保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍參數(shù)有：工作面回采方向卸壓角、工作面不知方向有效卸壓角、煤柱影響范圍及有效層間垂距等。國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者，對(duì)保護(hù)層保護(hù)范圍的影響因素進(jìn)行了大量的研究，如地質(zhì)條件、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)等。對(duì)保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍的判定準(zhǔn)則主要提出了以一下幾種：1、應(yīng)力判定準(zhǔn)則19 前蘇聯(lián)礦產(chǎn)地質(zhì)力學(xué)和礦山測(cè)量科學(xué)研究所根據(jù)保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層的應(yīng)力將重新分布的特點(diǎn)，提出了考慮采動(dòng)應(yīng)力因素的判定準(zhǔn)則：22(cossin)ycBH （1-1）式中：yc煤層層理法向應(yīng)力，MPa；a煤層傾角，；BH 突出礦井首次作業(yè)深度，m；始突處側(cè)壓力系數(shù)。應(yīng)力判定準(zhǔn)則未涉及瓦斯的作用，由于瓦斯是煤與瓦斯突出的三大自然因素。2、殘余瓦斯壓力判定準(zhǔn)則19 保護(hù)層開(kāi)采以后，以被保護(hù)層的殘余瓦斯壓力OCTP為瓦斯因素判定準(zhǔn)則：0OCTPP （1-2）式中，0P 為瓦斯壓力臨界值一般取 0.6MPa 0.9MPa。河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 殘余瓦斯壓力判定準(zhǔn)則僅考慮被保護(hù)層處于原始狀態(tài)下的情況，僅有開(kāi)采保護(hù)層對(duì)其卸壓，未考慮被保護(hù)層采動(dòng)作業(yè)的影響。3、動(dòng)態(tài)瓦斯壓力判定準(zhǔn)則19 P0P （1-3）式中：P動(dòng)態(tài)瓦斯壓力，MPa；0P 煤層瓦斯壓力的安全臨界值，一般取 0.6MPa 0.9MPa。此外，保護(hù)范圍判定準(zhǔn)則還有殘余瓦斯含量判定準(zhǔn)則20，煤層法向變形判定準(zhǔn)則21以及瓦斯涌出量判定準(zhǔn)則22。1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 張擁軍認(rèn)為保護(hù)層開(kāi)采的原理為巖石動(dòng)態(tài)破壞、含瓦斯煤巖滲流-應(yīng)力-損傷耦合物理過(guò)程。保護(hù)層開(kāi)采后，周圍煤巖層發(fā)生扭曲-拉張變形，剪切擠壓應(yīng)力向拉張應(yīng)力轉(zhuǎn)變。地應(yīng)力減小，上覆煤巖層垮落下沉，下伏煤巖層破裂上鼓，被保護(hù)煤層發(fā)生膨脹變形。原有裂隙擴(kuò)張，并有大量裂隙新生，煤層透氣性急劇增加，形成高壓瓦斯卸壓逸散通道。同時(shí)煤體強(qiáng)度相應(yīng)增加，自身抵抗突出的能力增強(qiáng)23。魏二劍、胡衛(wèi)民等24采用 FLAC3D 軟件模擬了王行莊煤礦上保護(hù)層的開(kāi)采，研究了保護(hù)層工作面頂板壓力隨保護(hù)層開(kāi)挖的變化規(guī)律，及被保護(hù)層煤層法向膨脹變形量，確定了保護(hù)層開(kāi)采的保護(hù)范圍，得出走向卸壓角 38.5，傾向卸壓角均為 68。袁東升、張子敏等25采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬的方法，研究了上保護(hù)層開(kāi)采上下煤巖層應(yīng)力應(yīng)變分布。利用 FLAC3D 模擬研究了最小安全巖柱厚度及保護(hù)范圍。楊柳26采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，研究了被保護(hù)層應(yīng)力及位移分布，確定了保護(hù)范圍。李明好等27采用 RFPA 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，研究分析了上保護(hù)層覆巖破壞移動(dòng)規(guī)律及保護(hù)范圍。20世紀(jì)80年代初，錢鳴高、繆協(xié)興等研究了堅(jiān)硬巖石板模型的破斷規(guī)律，得出老頂巖石板破斷時(shí)主裂隙呈“O-X”型，即先在周邊破斷呈“O”型，而后在“O”型板內(nèi)部呈“X”型破斷28，提出了“砌體梁”理論。錢鳴高、繆協(xié)興提出了保護(hù)層開(kāi)采后上覆巖層中形成兩類裂隙：一是離層裂隙，隨巖層下沉出現(xiàn)的沿層面裂隙；二是豎向裂隙，隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙29。錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)下的課題組提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論。將對(duì)采場(chǎng)上覆活1 引言 5 動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷的特征。關(guān)鍵層為直接頂?shù)纳喜孔饔昧臀灰铺峁┝诉吔鐥l件，為分析直接頂穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)30。何滿潮、錢七虎等31對(duì)采場(chǎng)覆巖關(guān)鍵層破斷與冒落規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)具有厚關(guān)鍵層采場(chǎng)覆巖的初次冒落形態(tài)為拱形，并分為整體冒落和局部冒落兩種基本形式。厚關(guān)鍵層的破斷與冒落形式呈多樣性，但大塊滑落失穩(wěn)對(duì)采場(chǎng)支架的威脅最大，厚關(guān)鍵層大塊滑落失穩(wěn)又可分為斷裂線在工作面上方的滑落失穩(wěn)和斷裂線在煤壁里面的滑落失穩(wěn)。于不凡32總結(jié)了保護(hù)層分帶規(guī)律，提出了沿走向可以分成4個(gè)帶：原始?jí)毫?、集中?yīng)力帶、卸壓帶和應(yīng)力恢復(fù)帶。在垂直方向上可分為3個(gè)帶：大裂隙帶、裂隙帶、彈塑性變形帶。石必明、俞啟香、周世寧等33基于巖石破裂損傷理論和有限元計(jì)算方法，利用RFPA應(yīng)用軟件模擬了保護(hù)層開(kāi)采遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，得出了覆巖破裂移動(dòng)規(guī)律及隨保護(hù)層工作面推進(jìn)被保護(hù)層煤體應(yīng)力和變形分布特征，并分析了它對(duì)合理布置卸壓抽采鉆孔和消除被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性的作用。石必明，劉澤功利用RFPA數(shù)值模擬分析，認(rèn)為隨著保護(hù)層采煤工作面不斷推進(jìn)，被保護(hù)層垂直變形呈現(xiàn)“M”型分布；卸壓區(qū)煤層水平變形呈現(xiàn)拉抻和擠壓狀態(tài)，增加該區(qū)域煤體機(jī)械破壞，有利于被保護(hù)層次生裂隙的發(fā)育；相對(duì)層間距愈大，其變形量減小，不利于煤層離層裂隙和破斷裂隙的產(chǎn)生34。煤層及采動(dòng)裂隙巖體中的瓦斯聚積和運(yùn)移規(guī)律是瓦斯防治、抽采和煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)。在保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，由于卸壓的作用，對(duì)于上下鄰近層來(lái)說(shuō)，都會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)變形，在橫向和豎向方向上都會(huì)產(chǎn)生不同性質(zhì)、不同種類的裂隙，這就為被保護(hù)煤層中的瓦斯運(yùn)移提供了運(yùn)移通道，同時(shí)也為瓦斯抽采指明了方向。由于安全生產(chǎn)的需要和有關(guān)學(xué)者專家的不懈努力，在保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移方面已經(jīng)取得了一些成果。劉澤功、葉建設(shè)探討了采空區(qū)頂板瓦斯抽采巷道的布置原則，并應(yīng)用流場(chǎng)理論分析了實(shí)施頂板抽采瓦斯前后采空區(qū)等處瓦斯流場(chǎng)的分布特征35,36。齊慶杰、黃伯軒根據(jù)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析了采場(chǎng)瓦斯超限的基本原因，論述了采場(chǎng)瓦斯治理技術(shù)的途徑，并給出了幾種采場(chǎng)瓦斯治理方法37。徐濤、唐春安等38,39在巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)(RFPA2D)的基礎(chǔ)上，建立了含瓦斯煤巖破裂過(guò)程流固耦合作用的RFPA2DFlow模型，并給出了RFPA2DFlow耦合模河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 型的數(shù)值求解方法。周世寧院士40,41從瓦斯?jié)B流的角度較早的研究了煤層瓦斯的賦存和流動(dòng)規(guī)律，并對(duì)煤層瓦斯的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。梁運(yùn)培42運(yùn)用達(dá)西定律、理想氣體狀態(tài)方程以及連續(xù)性方程等，建立并求解了鄰近層卸壓瓦斯?jié)B流的動(dòng)力學(xué)模型，總結(jié)了鄰近層卸壓瓦斯的滲流規(guī)律。梁冰、章夢(mèng)濤提出將瓦斯流動(dòng)看作可變形固體骨架中可壓縮流體的流動(dòng)，得到了采動(dòng)影響下煤巖層瓦斯流動(dòng)的耦合模型，并研究了打通二礦7號(hào)煤層開(kāi)采后對(duì)鄰近層卸壓瓦斯向開(kāi)采層采空區(qū)流動(dòng)狀況43。李宗翔、孫廣義等44,45人將冒落區(qū)看作是非均質(zhì)滲透系數(shù)的耦合流場(chǎng)，用Kozery理論描述了采空區(qū)滲透性系數(shù)與巖石冒落碎脹系數(shù)的關(guān)系，用有限元數(shù)值模擬方法求解了采空區(qū)風(fēng)流移動(dòng)，結(jié)合圖形技術(shù)，求解過(guò)綜放工作面采空區(qū)三維流場(chǎng)瓦斯涌出擴(kuò)散方程。楊天鴻、陳仕闊、朱萬(wàn)成、劉洪磊等46根據(jù)瓦斯?jié)B流與煤體變形的基本理論，建立了考慮煤層吸附、解吸作用的含瓦斯煤巖固-氣耦合作用模型。司鵠、郭濤和李曉紅等47考慮了地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力變化對(duì)煤體骨架產(chǎn)生的變形的影響，推導(dǎo)出了孔隙率、滲透率的表達(dá)式。運(yùn)用多孔介質(zhì)滲流的基本定理和流固耦合的基本理論得出了瓦斯流固耦合控制方程。運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)鉆孔抽采下的瓦斯?jié)B流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。孫可明博士48根據(jù)孔隙流體介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程和本構(gòu)方程及多相滲流等理論建立的反映吸附解吸、擴(kuò)散、滲流過(guò)程的低滲透雙重介質(zhì)氣、水兩相流氣固耦合模型不適用于對(duì)遠(yuǎn)程采動(dòng)煤巖體變形及瓦斯流動(dòng)的研究。涂敏49將煤巖體視為彈塑性材料，將煤層瓦斯流動(dòng)視為非穩(wěn)態(tài)、非Darcy滲流符合Forcheimer方程，建立了煤層瓦斯流動(dòng)的耦合動(dòng)力學(xué)模型。劉洪永 50用動(dòng)量守恒方程（平衡方程）、質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、幾何方程（應(yīng)變-位移方程）和本構(gòu)方程（應(yīng)力-應(yīng)變方程）描述采動(dòng)變形和位移場(chǎng)，用瓦斯流動(dòng)連續(xù)性方程、瓦斯運(yùn)動(dòng)控制方程、煤層瓦斯?fàn)顟B(tài)方程和瓦斯含量方程來(lái)描述卸壓瓦斯流動(dòng)，建立煤巖體變形與卸壓瓦斯流動(dòng)氣固耦合動(dòng)力學(xué)模型。汪國(guó)華51采用數(shù)值模擬的方法對(duì)上保護(hù)層開(kāi)采后最大和最小安全巖柱厚度以及瓦斯流動(dòng)及瓦斯壓力的消散等問(wèn)題進(jìn)行了研究。許多專家學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、相似模擬等方法研究了保護(hù)層開(kāi)采影響下鄰近層煤巖變形規(guī)律、裂隙分布等；研究了保護(hù)層開(kāi)采后瓦斯運(yùn)移和瓦斯抽采參數(shù)。1 引言 7 但是很多相似模擬和數(shù)值模擬都與實(shí)際有些區(qū)別，這就需要對(duì)更多的保護(hù)層開(kāi)采進(jìn)行研究，通過(guò)大量的實(shí)踐和歸類對(duì)比，對(duì)保護(hù)層開(kāi)采條件下鄰近煤巖層的變形、裂隙分布和卸壓后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行更詳盡的研究，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)安全生產(chǎn)的指導(dǎo)意義。1.3 本文主要研究的內(nèi)容 論文通過(guò)查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合十礦煤層瓦斯賦存情況，針對(duì)戊10煤層瓦斯大、層間距小而本煤層瓦斯抽放效果較差的情況，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，研究開(kāi)采近距離上保護(hù)層對(duì)被保護(hù)層的采動(dòng)影響規(guī)律，探索保護(hù)層開(kāi)采后應(yīng)力應(yīng)變及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，從而為防治煤與瓦斯突出提供科學(xué)的理論依據(jù)。本論文對(duì)以下三個(gè)方面內(nèi)容：（1）應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件（以下簡(jiǎn)稱“COMSOL”）模擬上保護(hù)層開(kāi)采后周圍煤巖層的應(yīng)力應(yīng)變化，研究了被保護(hù)層沿傾向及走向應(yīng)力場(chǎng)分布和應(yīng)變位移場(chǎng)分布，根據(jù)頂?shù)装宸ㄏ蛭灰频贸霰槐Ｗo(hù)層膨脹變形量，進(jìn)而研究了保護(hù)范圍。（2）根據(jù)煤層中瓦斯流動(dòng)理論，采用COMSOL中的多孔彈性模型，通過(guò)對(duì)不同層間距下保護(hù)層開(kāi)挖20、25、30、35和40m的過(guò)程進(jìn)行模擬，研究了被保護(hù)層瓦斯壓力分布與瓦斯流動(dòng)規(guī)律。（3）本文通過(guò)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層煤層殘余瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性系數(shù)等瓦斯參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)被保護(hù)層瓦斯涌出資料、鉆孔瓦斯涌出初速度Q和鉆屑量S等突出危險(xiǎn)性驗(yàn)證數(shù)據(jù)整理分析，研究了被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性及卸壓保護(hù)效果。1.4 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（1）通過(guò)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采后周圍煤巖層的應(yīng)力應(yīng)變變化進(jìn)行模擬，研究頂?shù)装宸ㄏ蛭灰频贸霰槐Ｗo(hù)層膨脹變形量及被保護(hù)層沿傾向及走向應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變位移場(chǎng)分布。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)保護(hù)層的防突機(jī)理，制定合理的保護(hù)層開(kāi)采區(qū)域性防突措施，加強(qiáng)和優(yōu)化保護(hù)效果，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開(kāi)采提供理論依據(jù)。（2）根據(jù)平煤十礦戊組煤采掘?qū)訉?shí)際情況，運(yùn)用多孔介質(zhì)耦合模擬數(shù)值方法，對(duì)保護(hù)層不同開(kāi)挖深度及不同層間距下被保護(hù)層瓦斯流動(dòng)與瓦斯壓力分布進(jìn)行了模擬，研究了被保護(hù)煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律。論證保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)可以改變高突、高瓦斯煤層瓦斯賦存狀態(tài)的可行性。河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 1.5 技術(shù)路線 本論文采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，研究十礦近距離上保護(hù)層開(kāi)采后瓦斯運(yùn)移規(guī)律和卸壓保護(hù)范圍，研究技術(shù)路線如圖1-1所示。相關(guān)文獻(xiàn)收集、查閱、分析和歸納保護(hù)層開(kāi)采可行性分析數(shù)值模擬保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律收集分析平煤十礦煤層瓦斯地質(zhì)資料數(shù)值模擬保護(hù)層開(kāi)采瓦斯運(yùn)移規(guī)律保護(hù)層開(kāi)采卸壓保護(hù)范圍和瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究相關(guān)規(guī)定煤層賦存條件現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試被保護(hù)層殘余瓦斯參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)考察保護(hù)層卸壓效果及保護(hù)范圍計(jì)算卸壓保護(hù)范圍 圖圖 1-1 研究研究技術(shù)路線圖技術(shù)路線圖 Fig.1-2 Roadmap of the researchtechnology 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件 9 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件 2.1 礦井概況 平煤十礦（以下簡(jiǎn)稱“十礦”）位于平頂山市區(qū)東北 6km 處。東與平頂山十二礦、八礦毗鄰，西平頂山一礦、二礦相接，南以各煤層露頭線為界，北部至丁組煤-600m、戊組煤-650m、己組煤及庚組煤-800m 底板標(biāo)高。井田南北長(zhǎng)約 6.0km，東西寬約 2.0km4.7km。最新核定生產(chǎn)能力 290 萬(wàn) t/a，工業(yè)儲(chǔ)量 2.1 億 t，可采儲(chǔ)量 1.5 億 t。開(kāi)采標(biāo)高 40m-800m，面積 20.6158km2。礦井采用立井、斜井分水平聯(lián)合開(kāi)拓，采區(qū)上、下山單雙翼布置，走向長(zhǎng)臂后退式自由冒落采煤法，通風(fēng)方法為分區(qū)抽出式。十礦主要開(kāi)采戊組、己組和丁組煤層，現(xiàn)有五個(gè)生產(chǎn)采區(qū)（己二采區(qū)、戊組東區(qū)、戊組中區(qū)、-140 水平戊五采區(qū)和己四采區(qū)），除己二采區(qū)為高瓦斯采區(qū)及薄煤層以外，其它三個(gè)采區(qū)均屬突出采區(qū)。一水平標(biāo)高-140m，二水平標(biāo)高-320m。十礦位于平頂山煤田東部，李口向斜東南翼，井田總體為一傾向 NNE 的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上沿傾向發(fā)育的十礦向斜和郭莊背斜組成了井田的基本構(gòu)造形態(tài)，沿北西向展布的十礦向斜、郭莊背斜、牛莊逆斷層擠壓構(gòu)造帶。十礦丁、戊、已組煤層共發(fā)生 50 次突出，其中戊組煤已發(fā)生煤與瓦斯突出 18次，最大突出煤量 76t，1991 年經(jīng)煤科總院重慶分院鑒定為突出煤層。2011 年礦井相對(duì)瓦斯涌出量 21.57m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量 112.09m3/min。研究區(qū)域戊10煤層瓦斯含量大、瓦斯壓力大，戊9煤層瓦斯含量、壓力相對(duì)較小，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)戊10煤層安全高效的的開(kāi)采，根據(jù)防治煤與瓦斯突出規(guī)定，選擇戊9煤層作為戊10煤層的保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采。2.2 煤層頂?shù)装鍘r性特征 十礦井田范圍內(nèi)可采煤層屬石炭二疊系含煤巖系，可采煤組主要為丁煤組、戊煤組和己煤組，庚煤組屬局部可采煤組。戊煤組位于二疊系下統(tǒng)下石盒子組四煤段中下部，該組上部為含煤巖段，含煤巖系總厚度約 173m，含煤平均厚 8.31m，含煤系數(shù)為 0.1。戊煤組含戊8、戊9、戊10、戊11、戊12、戊13六個(gè)煤分層。戊8煤厚 0.8m1.0m；戊9煤厚 1.2m1.5m；戊10煤厚 2.26 左右 m；戊11煤厚 1.8m 左右。煤厚變化總趨勢(shì)為南厚北薄，其中戊12、戊13屬煤線不可采。十礦向斜、郭莊背斜軸部附近煤層河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 較厚，一般厚4m6m，北部煤層較薄，厚 1m2m。煤層厚度沿走向較穩(wěn)定，變化不大。戊煤組在不同區(qū)段因各煤分層的層間距變化造成了煤層的分岔與合并現(xiàn)象。在層間距等于或大于最低可采厚度的區(qū)段，被夾矸分開(kāi)的煤分層視為獨(dú)立的煤層，這時(shí)表現(xiàn)為兩層煤的分岔。在夾矸厚度小于最低可采厚度的區(qū)段，表現(xiàn)為不同煤分層的合并，它們應(yīng)屬于同一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的煤層。這種不同區(qū)段內(nèi)的分、合層現(xiàn)象，不僅影響采掘布置，而且對(duì)瓦斯涌出也有重要影響。戊9、戊10合層形式出現(xiàn)時(shí)稱為戊9-10煤層，為主要可采煤層之一，厚度 4.0m4.5m，平均 4.2m。戊8、戊9、戊10三層煤的合層稱戊8-10煤層，主要分布在戊二、戊四采區(qū)（已報(bào)廢）。戊9、戊10分層時(shí)，中部為砂質(zhì)泥巖，厚 0.4m7.7m。平頂山一礦戊組煤層柱狀圖如圖 2-1 所示。柱狀圖厚度（m）煤巖描述中粒砂巖1002.00.81.28.01.11.6沙質(zhì)泥巖戊8煤層砂質(zhì)泥巖東部1.4m中部8.0m，西部戊8.戊9合層戊9煤層砂質(zhì)泥巖東部戊9-10合層中間7.7m，西部3.0m，由上部1.2m向下逐漸增厚至7.7m。0.47.7戊10煤層砂質(zhì)泥巖，自西向東增厚戊11煤層砂質(zhì)泥巖2.13.50.23.01.12.210地層單位界 系 統(tǒng) 組 段上古生界二疊系下石盒子組下統(tǒng)戊組煤 圖圖 2-1 煤系地層煤系地層綜合柱狀圖綜合柱狀圖 Fig.2-1 Integrated Histogram of coaland rock（1）戊9煤層 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件 11 戊9煤層厚度為 0.91m4.59m，平煤厚度為 1.97m。頂部有 0.7m 左右塊狀硬煤，下部為軟煤，屬薄中厚煤層，賦存比較穩(wěn)定。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部地段煤層下部有一層 0.1m 厚夾矸。煤層走向 N4855W，傾向 NE，傾角 10.414。戊9煤層直接頂為 1.2m8.0m 厚的致密透氣性差的砂質(zhì)泥巖，偶爾為砂巖或含礫砂巖，中部厚約 1.4m，東部厚達(dá) 8.0m。戊9煤層直接底為 0.4m7.7m 厚的砂質(zhì)泥巖，東部厚 7.7m，西部厚 3.0m。戊8煤層厚約 0.8m，戊8煤層的直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚 0m2.0m，直接頂上覆為超過(guò) 10m 的厚層堅(jiān)硬中粒砂巖。（2）戊10煤層 戊10煤層厚度為 0.79m4.93m，平均厚度為 2.26m。直接頂為 0.4m7.7m 厚的砂質(zhì)泥巖。直接底板為 0.2m3.0m 砂質(zhì)泥巖，夾透鏡狀砂巖和菱鐵礦薄層。戊11煤層厚 1.1m2.2m，煤層賦存不穩(wěn)定，在井田中部及北翼 25 勘探線以東區(qū)域均為不可采。在可采地段煤厚度在 0.6m2.56m，平均 1.8m，該煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄層夾矸多達(dá) 10 余層，尤其在該層底部有一層厚達(dá) 0.1m0.6m 的泥巖夾矸，致使煤層可采厚度變薄至 1.2m1.4m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，底板為厚度超過(guò) 10m 的砂質(zhì)泥巖。2.3 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)（1）戊戊9煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù) 在十礦戊組中區(qū)西翼研究區(qū)域內(nèi)，戊9煤層和戊10煤層分層開(kāi)采，根據(jù)礦井歷年瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果，戊9煤層瓦斯壓力為 0.78MPa1.2MPa，瓦斯含量為4.01m3/t5.10m3/t，如表 2-1、表 2-2 所示。表表 2-1 戊戊9煤層瓦斯壓力煤層瓦斯壓力直接直接測(cè)定結(jié)果測(cè)定結(jié)果 Tab.2-1 The direct results of coal seam gas pressure about the E9 coal seam 鉆孔地點(diǎn)及見(jiàn)煤標(biāo)高（m）孔號(hào)及 表壓力（MPa）最大絕對(duì)瓦斯 壓力（MPa）-320 東區(qū)出煤巷-305.5 1#1.1 1.2 戊920080 機(jī)巷-323.5 1#1.02 1.12 戊920080 機(jī)巷-317.5 2#1.04 1.14 戊921210 機(jī)巷-404.7 1#0.86 0.96 戊921210 風(fēng)巷車場(chǎng)-443.8 2#0.68 0.78（2）戊戊10煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù) 戊10煤層厚度為 0.79m4.93m，平均厚度為 2.26m，經(jīng)測(cè)定，十礦戊10煤層原河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 始絕對(duì)瓦斯壓力為 0.30MPa2.7MPa；戊10煤層瓦斯含量為 4.78m3/t18.92m3/t，如表 2-3、表 2-4 所示。經(jīng)計(jì)算分析，戊1021210 機(jī)巷 2116 點(diǎn)附近戊10煤層原始透氣性系數(shù)為 0.02m2/(MPa2d)0.09m2/(MPa2d)，如表 2-5 所示。表表 2-2 戊組中區(qū)戊戊組中區(qū)戊9煤層煤層瓦斯含量直接瓦斯含量直接法法測(cè)定結(jié)果測(cè)定結(jié)果 Tab.2-2 The direct results of coal seam gas content about the coal seam of E9 in E group of the central 鉆孔地點(diǎn)及見(jiàn)煤標(biāo)高（m）瓦斯含量（m3/t）-320 東區(qū)出煤巷-305.5 5.10 20080 機(jī)巷-323.5 4.79 20080 機(jī)巷-317.5 4.01 表表 2-3 戊戊10煤層瓦斯壓力煤層瓦斯壓力直接直接測(cè)定結(jié)果測(cè)定結(jié)果 Tab.2-3 The direct results of coal seam gas pressure about the coal seam of E10 鉆孔地點(diǎn)及見(jiàn)煤標(biāo)高（m）孔號(hào)及 表壓力（MPa）最大絕對(duì)瓦斯 壓力（MPa）戊1021210 機(jī)巷 2116 點(diǎn)向里 20m-506 1#0.50 0.60 戊1021210 機(jī)巷 2116 點(diǎn)向里 40m-505 2#0.35 0.45 戊1021190 風(fēng)巷 100m處-460 1#1.79 1.89 戊1020210 機(jī)巷 300m 處-553 1#2.12 2.22 戊1021150 機(jī)巷 500m 處-395 2#1.51 1.61 戊1021170 機(jī)巷 800m 處-460 3#1.79 1.89 戊1020200 風(fēng)巷 400m處-565 1#0.6 0.7 戊1020200 風(fēng)巷 600m處-570.1 2#1.6 1.7 戊1020180 機(jī)巷 1830 點(diǎn)里 32m處-568 1#1.20 1.30 戊1020180 機(jī)巷 1830 點(diǎn)里 10m處-567 2#1.40 1.50 戊1020180 機(jī)巷 1828 點(diǎn)外 8m處-564 3#0.50 0.60 戊1020180 機(jī)巷 1828 點(diǎn)外 30m處-564.5 4#0.20 0.30 戊組中區(qū)三水平軌道-643.7 2.6 2.7 表表 2-4 戊組中區(qū)戊組中區(qū)戊戊10煤層煤層瓦斯含量直接瓦斯含量直接測(cè)定結(jié)果測(cè)定結(jié)果 Tab.2-4 The direct results of coal seam gas content about the coal seam of E10 in E group of the central 鉆孔地點(diǎn)及見(jiàn)煤標(biāo)高（m）瓦斯含量（m3/t）戊1021210 機(jī)巷 2116 測(cè)點(diǎn)向里 20m1#孔-506.0 4.78 戊1021190 風(fēng)巷 100m處-460 18.92 戊920180 機(jī)巷 1830 點(diǎn)里 32m處 1#孔-568.0 5.05 戊920180 機(jī)巷 1828 點(diǎn)外 30m處 4#孔-564.5 5.80 戊920180 切眼處-550 6.33 20180 偏外距皮帶頭 245m-513.7 7.88 戊組中區(qū)三水平軌道-643.7 9.1 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件 13表表 2-5 戊戊10煤層煤層原始原始透氣性系數(shù)計(jì)算結(jié)果透氣性系數(shù)計(jì)算結(jié)果 Table 2-5 The calculation results of the primitive gas permeability coefficient in E10 coal seam 測(cè)試地點(diǎn) P0（MPa）P1（MPa）m3/(m3.MPa0.5)q（m3/(m2d)）r0（m）t（d）m2/(MPa2d)戊1021210 機(jī)巷 2116 測(cè)點(diǎn)向里 20m 0.6 0.1 8.39 0.12 0.0375 3 0.02 戊1021210 機(jī)巷 2116 測(cè)點(diǎn)向里 40m 0.45 0.1 0.69 0.23 0.0375 3 0.09 2.4 保護(hù)層工作面情況 戊921210 工作面位于十礦北翼東區(qū)戊組下山第四區(qū)段，采面西至戊組東區(qū)運(yùn)輸機(jī)下山、軌道下山和瓦斯專用回風(fēng)下山，東靠十二礦北山風(fēng)井戊組保護(hù)煤柱，南鄰戊921190 采面；北部未開(kāi)采。工作面對(duì)應(yīng)的下部己組和上部的丁組尚未回采。戊921210 工作面長(zhǎng)度 675m，地面對(duì)應(yīng)位置為馬棚山東坡，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+300m360m，地勢(shì)北高南低，工作面標(biāo)高-469m-530m。工作面分層開(kāi)采，戊9煤層為保護(hù)層，戊10煤層為被保護(hù)層，戊9煤層平均厚 1.97m，戊10煤層平均厚2.26m，最大間距為7.4m。該工作面為北東傾向的單斜構(gòu)造，煤層走向N：113118，煤層傾角 7.714，淺部陡，深部緩。戊921210 工作面及相鄰工作面的位置見(jiàn)圖 2-2 所示。北翼東區(qū)戊組運(yùn)輸機(jī)下山北翼東區(qū)戊組軌道下山-600-500-450-400-350-300-250-550-650八礦戊9.10-21190戊9.10-21170戊9-10-20190戊9.10-21150戊9.10-21130戊9-10-20210戊8-9-20230戊9.10-21210戊8-9-30030-450-400-350-600-500-550北二礦風(fēng)井戊組煤層保護(hù)煤柱 圖圖 2-2 戊戊921210 及相鄰工作面的相對(duì)位置及相鄰工作面的相對(duì)位置 Fig2-2 The relative position between adjacent working face and E921210 河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 2.4.1 保護(hù)層回采瓦斯涌出量預(yù)測(cè) 十礦戊組煤層為突出煤層，已發(fā)生煤與瓦斯突出 18 次，最大突出煤量 76t，瓦斯量 7682m3；戊10煤層瓦斯含量大(戊組中區(qū)三水平軌道處絕對(duì)瓦斯含量為9.1m3/t)，瓦斯壓力大（戊組中區(qū)三水平軌道處絕對(duì)瓦斯壓力為 2.7MPa），實(shí)測(cè)煤層透氣性系數(shù)為 0.020.09m2/(MPa2d)。十礦戊9煤層瓦斯相對(duì)較小，對(duì)戊10煤層起保護(hù)作用，有利于實(shí)現(xiàn)戊10煤層安全、高產(chǎn)、高效開(kāi)采。戊9煤層回采期間，被保護(hù)層戊10煤層大量瓦斯通過(guò)層間采動(dòng)裂隙涌入保護(hù)層，容易造成瓦斯超限，因此對(duì)保護(hù)層工作面回采時(shí)期瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。目前我國(guó)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法主要有礦山統(tǒng)計(jì)法、分源預(yù)測(cè)法、類比法等。分源預(yù)測(cè)法適用條件廣泛且準(zhǔn)確率教高，本文戊921210 作為保護(hù)層開(kāi)采的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)采用分源預(yù)測(cè)法。保護(hù)層回采期間瓦斯涌出主要源于保護(hù)層本煤層和鄰近層。（1）保護(hù)層本煤層（含圍巖）的瓦斯涌出量)(003211cWWMmKKKq （2-1）式中：1q保護(hù)層本煤層（包括圍巖）的相對(duì)瓦斯涌出量，3m/t；1K圍巖瓦斯涌出系數(shù)。1K取 1.2；2K保護(hù)層采面丟煤瓦斯涌出系數(shù)。2K取 1.25。3K 掘進(jìn)巷道預(yù)排瓦斯涌出影響系數(shù)。3(2)=0.97KLhL=-，L保護(hù)層工作面寬度，取 180m；h掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度，取 10.5m。0m 煤層厚度，m；M煤層采厚，m；0W 煤層的原始瓦斯含量，m3/t；cW 運(yùn)出地面后煤殘余的瓦斯含量，m3/t。經(jīng)計(jì)算1q=6.66m/t，按產(chǎn)量換算絕對(duì)瓦斯涌出量見(jiàn)表 2-6。表表 2-6 保護(hù)層本煤層絕對(duì)瓦斯涌出量保護(hù)層本煤層絕對(duì)瓦斯涌出量 Tab2-6 Gas emission capacity from protective coal seam itself in a minute 日產(chǎn)量（t）500 800 1000 1500 2000 瓦斯涌出量（m3/min）1.57 2.51 3.14 4.70 6.27（2）鄰近層瓦斯涌出量 2 十礦保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)條件 15iiniciiMmWWq102)(（2-2）式中：2q鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；iW0第 i 鄰近層原始瓦斯含量，m3/t。ciW 第 i 鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；im 第 i 鄰近層煤厚，m；M第 i 鄰近層采高，m；i第 i 鄰近層瓦斯排放率，%。參考按圖 2-3 選取，i取 1。經(jīng)計(jì)算2q=8.57m/t，按產(chǎn)量換算絕對(duì)瓦斯涌出量見(jiàn)表 2-7。表表 2-7 臨近層層絕對(duì)瓦斯涌出量臨近層層絕對(duì)瓦斯涌出量 Tab2-7 Gas emission capacity from protective coal seam itself in a minute 日產(chǎn)量（t）500 800 1000 1500 2000 瓦斯涌出量（m3/min）3.54 5.67 7.08 10.63 14.17 0204060801002040608010012040608010023i/%h/m 1上鄰近層上鄰近層；2緩傾斜煤層下鄰近層緩傾斜煤層下鄰近層；3傾斜傾斜、急傾斜煤層下鄰近層急傾斜煤層下鄰近層 圖圖 2-3 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線 Fig.2-3 The curves on relation between interlayer spacing and adjacent layers gas emission rate（3）保護(hù)層工作面瓦斯涌出量 21qqq采 （2-3）式中：河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 采q保護(hù)層工作面瓦斯涌出量，m3/t；1q保護(hù)層本煤層（含圍巖）瓦斯涌出量，m3/t；2q鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；經(jīng)計(jì)算2q=14.71m/t，按產(chǎn)量換算絕對(duì)瓦斯涌出量見(jiàn)表 2-8。表表 2-8 臨近層層絕對(duì)瓦斯涌出量臨近層層絕對(duì)瓦斯涌出量 Tab2-8 Gas emission capacity from protective coal seam itself in a minute 日產(chǎn)量/t 500 800 1000 1500 2000 瓦斯涌出量/m3/min 5.11 8.18 10.22 15.33 20.44 回采工作面瓦斯來(lái)源主要有保護(hù)層本煤層和鄰近被保護(hù)層瓦斯涌出，根據(jù)十礦戊組煤層瓦斯賦存及回采情況，經(jīng)預(yù)測(cè)，本煤層和鄰近被保護(hù)層瓦斯涌出分別占工作面瓦斯涌出量的 30.68%和 69.32%，且如圖 2-4 所示。0.005.0010.0015.0020.0025.00瓦斯涌出量m/min500.00800.001000.001500.002000.00日產(chǎn)量/tq1q2q采 表表 2-4 戊戊9煤層工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果煤層工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果 Table 2-4 coal face gas emission prediction results of E