温庄矿采空区定向长钻孔终孔位置优化数值模拟与实验研究

作     者：潘森林 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋曙光

授予年度：2023年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：采动裂隙 瓦斯分布 终孔位置 定向长钻孔 

摘      要：近年来,应用定向长钻孔治理采空区瓦斯的矿井越来越多,定向长钻孔终孔位置的合理布置成为了新的难题。针对山西温庄矿应用定向长钻孔抽采采空区瓦斯,不能有效确定合理的定向长钻孔终孔位置的现状,系统分析了温庄矿15103工作面现场通风、瓦斯数据、岩层岩性数据和定向长钻孔抽采采空区卸压瓦斯的机理与影响因素,确定了合理布置定向长钻孔终孔位置的前提,即是确定终孔附近的瓦斯积聚程度、终孔附近的岩体渗透率和终孔附近的岩层稳定性。为了确定渗透率分布、岩层的稳定性与瓦斯积聚程度,本文应用离散元软件PFC进行了煤层开挖数值模拟及孔隙率监测,搭建相似实验平台进行了不同位置终孔附近瓦斯积聚程度的相似实验研究,并依据数值模拟和相似实验的结果进行了定向长钻孔终孔位置布置区域设计。主要研究内容与结果如下:(1)数值模拟得出采动覆岩裂隙演化规律和采空区孔隙率数值分布走向上,切眼侧的结构裂隙区左边界与冒落带上界夹角为67°,工作面侧的结构裂隙区左边界与冒落带上界的夹角为65°,压实裂隙区左边界与冒落带上界的夹角为54°,压实裂隙区右边界与冒落带上界的夹角56°。采动造成的岩层沉降量自15号煤层,越往上越小,且两侧小中间大,具体分级为冒落带压实裂隙区结构裂隙区弯曲下沉带拉伸裂隙区。对开挖后的数值模拟模型编码实现孔隙率监测,进行了采空区孔隙率与渗透率分区。得出温庄矿15103工作面采空区包括底板、冒落带、裂隙带、弯曲下沉带在内的孔隙率区间为[0,0.35];按区分布,结构裂隙区内孔隙率最大,其次是冒落带内,其余地区可视为一致的最低孔隙率区域,并对结构裂隙区进行孔隙率精细划分为三个细分区域。采空区中渗透率分布具有同样规律。(2)相似实验得出不同位置终孔附近瓦斯积聚程度的规律实验得出不同位置终孔附近的瓦斯积聚程度表现为:距工作面0～68.75米时,除垮落角外布置的钻孔,采空区倾向上回风侧高于进风侧,高度方向上,越往上越大,走向上,越远离工作面越大;距工作面68.75～178.75米时,除垮落角外布置的钻孔,采空区倾向上回风侧与进风侧几乎一样,但结构裂隙区大于压实裂隙区,呈现出两侧高中间低的特征,高度方向上,越往上越大,走向上,越远离工作面越大;距工作面178.75～233.75米时,除垮落角外布置的钻孔,采空区倾向上同一垂距的终孔附近瓦斯积聚程度几乎一样,高度方向上,距煤层顶板0～46.7米范围内,越往上越高,46.7～71.8米范围内,瓦斯积聚程度相当,走向上,越远离工作面越大;其中最高的抽采浓度出现在距煤层顶板为71.8米的一层钻孔中,瓦斯浓度29.28%。(3)基于数值模拟和相似实验的结果进行了终孔位置布置区域设计给出了定向长钻孔抽采深度与终孔垂距的数量关系公式,为使终孔进入工作面侧与切眼侧的结构裂隙区提供了公式依据;给出了终孔进入倾向上回风侧与进风侧结构裂隙区时,终孔平距与终孔垂距的数量关系公式;进行了15103采空区定向长钻孔高效抽采采空区瓦斯的终孔垂距与平距范围设计,并为现场提供了三个钻孔组合抽采的终孔位置设计。该论文有图42幅,表22个,参考文献93篇。