（安全技术及工程专业论文）高瓦斯低透气性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究.pdf

a b s t r a c t i nv i e wo f t h el o wp e r m e a b i l i t ya n dh i 曲g a s o u t b u r s tc o a ls e a mo f t h ee x c a v a t i n g w o r k i n gf a c e s ，t h i sd i s s e r t a t i o na d v a n c e san e wt e c h n o l o g yt h a tu s e sl o n g - h o l e p r e - s p l i t t i n gc o n t r o l l i n gb l a s tw o r k e da l o n gw i t hl o n gb o r e h o l ed r a i n i n g 。b a s e do n t h et h e o r yo fs e a mg a so c c u r r e n c ea n df l u i da n dt h em e c h a n i s mo fl o n g h o l e p r e - s p l i t t i n gc o n t r o l l i n gb l a s t ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n da n a l y s i sh a v e b e e n d o n e 、i t l lt 1 1 ea i do f f l u e n ta n dm a t l a b 。m o r e o v e r ，a f t e rc o m b i n i n gt h eo n - t h e - s p o t d a t ao f t h ep a n s a nc 0 a lm i n e ，t h eo p t i m u mp l a nf o rt h ed r i l la r r a n g e m e ma n dt h e p a r a m e t e r so f b l a s th a v eb e e nm a k eo u t 。 t h es t u d ys h o w s 也a tb vt a k i n gt h en e wt e c h n o l o g yi tc a nn o to n l ym a k et h e b r e a k sa n dt h ep e r m e a b i l i c yc o e 伍c i e n tm u c hl a r g e ra r o u n dt h eb o r e h o l e s ，r a i s et h e t o t a lg a s - d r a i n i n gq u a n t i t yg r e a t l y ，a n ds h o r t e nt h ep r e d r a i n a g et i m eg r e a t l y ； b u t a l s oe x t e n dt h ee 伍c i e n td r a i n i n gr a d i u sl a r g e l ya f t e rb l a s t ， i m p r o v et h eg a ss u c t i o n r a t eg r e a t l y a n dr e d u c et h em e n a c eo f c o a l - a n d - g a so u t b u r s t 1 1 1 e r e f o r e ，i tp r o v i d e s av a l u a b l er e f e r e n c et ot h ec o m b i n e dm a n a g e m e n to fc o a lg a s ，a n dm a k e st h e p r o b l e mo f d i s a l l o w e dg a sc o n c e n t r a t i o na n dg a so u t b u r s ts o l v e d 。 k e yw o r d s ：g a sd r a i n a g e ，c o a ls e a m ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，l o n g - h o l ep r e - s p l i t t i n g c o n t r o l l i n gb l a s t 。 y 7 7 6 7 5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞微堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： l 时，表明随着雷诺数增大， 流体流动时在转弯、扩大、缩小等局部阻力处引起的压力损耗增大，致使比流 量吼降低，此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流。 非线性渗流的情况也产生在压力梯度很小、流速很低的情况下，此时可能 产生非牛顿态流动，即壁面分子对流体分子的吸引力会对流动产生阻滞作用。 在孔隙直径非常小，小于流过气体分子的平均自由程时，分子不能以气体 状态自由运动，而是在孔隙壁面上产生滑动( 即克林柏格效应) ，这种情况也使流 动状态偏离线性渗透。 2 4 3 瓦斯在煤层中的流动状态 瓦斯在煤层中会由高压区域流向低压区域，当瓦斯压力分布不等时，在煤 层中就会形成一定的瓦斯流动范围，这一范围通常称之为流动场，在其范围内， 瓦斯呈流动状态，具有流向、流速与瓦斯压力梯度。目前一般按两种方式进行 分类，即流场的空间流向和按流场的时间流向( 稳定性) 分类。 ( 1 ) 按流场的空间流向分类 单向流动在工、y 、z 三维空间内，只有一个方向有流速，其余两个 方向流速为零。如图2 - 3 1 所示。 径向流场在x 、y ，z 三维空间内，一般在两个方向有分速度，而第 三个方向的分速度为零。例如钻孔垂直穿透煤层对，在煤壁内的瓦斯流动基本 上就属于径向流场。一般情况下，其瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆形，如 图2 3 2 所示。由于径向流动一般是平面流动，可采用x 、y 两向直角坐标表示， 也可采用极坐标，、p 表示。 图2 4 1 单向流动示意图 l 一流向：2 一等压线 图2 4 2 径向流动示意图 卜流线；2 一等瓦斯压力线 球向流场在算、y 、z 三维空间内，一般在三个方向都有分速度，如 在矿井厚煤层中，煤巷的掘进工作面煤壁内，钻孔或石门刚进入煤层时从其中 涌出的瓦斯流动基本上都属于球向流动。球向流动的特点在于，在煤体中形成 近似同心球状的等压线，而流线一般呈放射网状。由于球向流动属于三维空间 流动，可采用x 、y 、z 三向直角坐标表示，也可采用球面极坐标表示。 ( 2 ) 按流场的稳定性分类 按流场在时间上有无变化，目前可分为稳定流场和非稳定流场两类。一般 情况下，在稳定流场中，任何一点的瓦斯流速、流向和压力均不随时间而变化； 在非稳定流场中，情况则正好相反，即流场中任何一点的瓦斯流速、流向和压 力将随时间而发生变化。 2 4 4 煤层瓦斯流动的基本参数 ( 1 ) 煤层瓦斯压力 煤层瓦斯压力是指煤层中瓦斯所具有的气体压力，由游离瓦斯形成。在煤 矿井下瓦斯带的上部，瓦斯压力约为0 1 5 o 2 此阳，以后随着矿井垂深的增加 而增大。在煤层正常赋存和地质构造破坏不大的条件下，同一煤层相同的深度 上的各个地点的瓦斯压力基本上保持相同的数值。如在强大的构造应力作用下， 煤体中的部分大孔隙和裂隙会变窄甚至闭合，瓦斯流动、渗透的通道被堵塞， 在增高的应力作用下，瓦斯压力即升高，从而形成局部瓦斯压力增高的地带。 煤层瓦斯压力与煤层所处位置承受的地应力的大小有关。一般情况下，浅 部由于构造应力小，且受瓦斯风化带的影响，其瓦斯压力往往小于或近似于静 水压力，口m p a = o 0 1 h r r ；而在矿井深部，由于地应力( 其中包括自重应力、 构造应力和温度应力) 随垂深线形增加，瓦斯压力可以超过静水压力，p m p a 值 可达n ( o 0 1 3 0 0 1 5 ) h m 。 ( 2 ) 煤层瓦斯含量 煤层的瓦斯含量是指单位质量或体积的煤体中所含有的瓦斯量，也就是吸 附和游离2 种状态下瓦斯量的总和，即： r = r l + f 2( 2 - 4 6 ) 式中r 煤的瓦斯含量，m ； l 煤的游离瓦斯含量，脚以； 煤的吸附瓦斯含量，m 3 i t 。 煤的游离瓦斯含量为p 2 j ： r = 里 p s 式中r 1 煤的游离瓦斯含量，t n 3 t ； 疗煤层孔隙率，； p 煤层瓦斯压力，拖阳； p 。标准大气压，为o 1 0 1 3 m p a 。 煤的吸附瓦斯含量。目前一般按朗格缪尔方程计算， 煤中水分、可燃物百分比以及温度的影响，即【3 2 】： ( 2 4 7 ) 在计算的同时考虑 r 2 “焘y ( 2 - 4 - 8 ) 式中l 单位体积煤层的吸附瓦斯含量，m 口煤的最大吸附瓦斯量，川弧； b 吸附常数； ，煤的容重，t m 3 ； 世水分、灰分校正系数， 世=器100(1 k；+ ”、 矿煤的水分，： a 煤的灰分，； 世、c 一系数， 对于贫煤k 。0 2 7 ，c = i ： 对于肥煤k 。0 4 5 ，c = i ； 对于褐煤监= 0 2 0 ，( 7 - - 1 ； 对于无烟煤