基于钻孔注气的巷旁卸压带测定理论及应用研究

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巷道的开挖会造成应力场的重新分布,在围岩内依次形成卸压区、应力集中区和原始应力区,其中卸压区内裂隙充分发育,透气性较好,为提高进行瓦斯抽采效率,抽采钻孔封孔深度需要超过卸压区宽带。因此,准确测定巷旁煤岩卸压带宽度是优化煤矿井下钻孔封孔措施、提高瓦斯抽采效率的前提。本文根据煤层地应力、透气性和裂隙发育三者之间的关系,提出了一种新的卸压带宽度测试方法—钻孔注气漏失量法,并通过室内试验、数值模拟和现场测试相结合的研究手段验证了该方法的可行性和测试结果的可靠性。主要成果如下:(1)开展了室内煤样全应力应变渗透率实验并建立了渗透率演化模型。实验结果表明:在压密和线弹性阶段中由于煤样被压缩,孔隙和裂隙减小,造成渗透率不断下降;进入塑性破坏和残余变形阶段,煤体内新生裂隙大量发育,渗透率大幅度上升。在实验结果的基础上,考虑了屈服破坏过程裂隙产生与贯通对渗透率的影响,建立了煤体全应力应变过程中渗透率演化模型,并与实验结果进行对比分析,验证了渗透率模型的正确性。(2)数值模拟研究了巷道和钻孔开挖后煤岩应力和渗流场分布。在上述煤岩渗透率演化模型的基础上,以夏店煤矿3118运巷为研究对象,运用数值软件FLAC3D模拟得到巷道及钻孔开挖后围岩应力场和渗透率场的分布特性,并根据围岩渗透率性和应力状态将其依次划分为完全渗流区(应力降低区)、过渡渗流区(塑性强化区)、渗流屏蔽区(弹性区)和原岩渗流区(原始应力区)。(3)数值模拟研究了钻孔注气漏失量法条件下的气体漏失规律。根据钻孔注气漏失量法的测试原理,在前文数值计算模型基础上,模拟得到了不同钻孔深度下气体压力分布规律以及注气气体漏失规律,研究表明气体漏失速度变化可以较好表征巷旁卸压带宽带,验证了利用注气漏失量法测定巷旁卸压带宽带是可行的。(4)开展了基于钻孔注气漏失量法的巷旁卸压带宽带测试现场实践。以夏店煤矿3118运巷为试验地点,利用钻孔注气漏失量法测试得到了气体漏失速度变化规律,结果表明,现场测试结果与数值模拟具有较好一致性,即,随着气体漏失量随钻孔深度先急剧下降后小幅度上升,最后趋于稳定。最后利用钻屑量法对卸压带宽度进行考察,对比分析验证了钻孔漏失量方法测试巷旁卸压带宽带的准确性。
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