對(duì)煤炭生產(chǎn)過程中的瓦斯進(jìn)行高效抽采不僅可防止采空區(qū)瓦斯向井下采煤工作面大量涌入,保障煤礦井下安全生產(chǎn),還可變廢為寶,緩解我國(guó)常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況和改善大氣環(huán)境,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要采用了理論分析、二維及三維相似模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究了采動(dòng)影響下地面鉆井變形破壞機(jī)制和采空區(qū)氣流空間分布特征,并基于上述研究結(jié)果提出了采空區(qū)瓦斯地面高效抽采技術(shù)。主要研究成果如下:采用二維相似試驗(yàn)?zāi)M井下工作面推進(jìn)過程中上覆巖層彎曲下沉引起的巖層剪切錯(cuò)動(dòng),并通過分析鉆井的最大相對(duì)水平和豎直位移分布,研究了采動(dòng)過程中地面鉆井的破壞特征,確定了鉆井破壞的高危時(shí)期、高危位置和鉆井失效類型。當(dāng)工作面推過鉆井157m時(shí),鉆井的整體水平和豎向位移均達(dá)到最大:在煤層上方70m、125m、195m和240m處,鉆井水平位移達(dá)60-75mm,豎向位移達(dá)85mm。在高危破壞時(shí)期和高危破壞位置處,煤層上覆巖層的硬軟組合巖層的交界面、厚巖層內(nèi)和厚-薄-厚組合巖層內(nèi)的鉆井段易發(fā)生鉆井破壞。工作面回采過程中現(xiàn)場(chǎng)鉆井抽采數(shù)據(jù)和鉆孔窺視驗(yàn)證了上述研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用二維相似試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)研究了采空區(qū)裂隙分布特征,將垮落帶劃分為完全貫通區(qū)、部分壓實(shí)區(qū)和穩(wěn)定壓實(shí)區(qū),將裂隙帶劃分為裂隙產(chǎn)生區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和裂隙閉合區(qū);采用自主構(gòu)建的三維可加載多元?dú)怏w滲流試驗(yàn)系統(tǒng),模擬煤層開挖形成采空區(qū)氣流空間,并通過注入多元混合氣流模擬瓦斯在采空區(qū)氣流空間內(nèi)的分布,定點(diǎn)獲取氣流空間內(nèi)不同空間位置的瓦斯?jié)舛确植?研究了采空區(qū)瓦斯流動(dòng)及富集的空間分布特征。采空區(qū)空間自下而上可劃分為下部富集區(qū)、過渡區(qū)、上部富集區(qū)和無流區(qū),且區(qū)域邊界呈“V”形。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,研究了采動(dòng)過程中變軌跡定向考察井抽出瓦斯的流量和濃度動(dòng)態(tài)變化,氣流空間自下而上可劃分為阻流區(qū)、富集區(qū)和乏流區(qū)。在富集區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S距煤層高度的增加呈現(xiàn)線性降低的變化趨勢(shì)�；谏鲜隼碚撗芯砍晒�,提出了采空區(qū)井位層位精準(zhǔn)優(yōu)選技術(shù):當(dāng)鉆井井位距回風(fēng)巷約42-54m,且鉆井底部穿過采空區(qū)上部富集區(qū),進(jìn)入底部垮落帶,以實(shí)現(xiàn)“雙富集區(qū)”瓦斯共采;提出了“低-中-高”變負(fù)壓效率最大化調(diào)控抽采技術(shù):當(dāng)?shù)孛驺@井處在暢流階段時(shí),采用-20~-30kPa的低負(fù)壓抽采瓦斯以抽采較高的瓦斯混量;當(dāng)?shù)孛驺@井處在阻流階段時(shí),使用-30~-60kPa的中等負(fù)壓抽采瓦斯;當(dāng)?shù)孛驺@井乏流階段時(shí),使用-60~-80kPa的高負(fù)壓抽采瓦斯可保證較高的抽采流量。采用“低-中-高”變負(fù)壓調(diào)節(jié)控制鉆井瓦斯抽采可保持瓦斯抽采效率持續(xù)最大化。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD712.6
【部分圖文】：

分別為采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)瓦斯?jié)B流和地面鉆井井身穩(wěn)定性。如隨回采井并向前繼續(xù)推進(jìn)過程中，鉆井井底區(qū)域的裂隙發(fā)育程度不斷降低，動(dòng)的阻力也不斷增大，導(dǎo)致抽采流量降低，但抽采濃度可能升高。又上覆巖層擠壓、剪切和拉剪等各種作用力影響而發(fā)生縮頸、錯(cuò)斷等破采流量下降甚至失效。因此，要研究如何利用地面鉆井高效抽采卸壓地面鉆井變形破壞機(jī)制和井下采動(dòng)裂隙場(chǎng)瓦斯?jié)B流特性。狀井穩(wěn)定性面垂直鉆井抽采采動(dòng)卸壓瓦斯在美國(guó)、澳大利亞、波蘭、加拿大和中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于受采動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生劇烈錯(cuò)動(dòng)變形，導(dǎo)致地面鉆井發(fā)生破壞而失效（圖 1-1）。地面垂直制約著地面瓦斯的抽采量和鉆井的服務(wù)壽命。

提出了經(jīng)典的“三帶”理論，即自下而上將上覆巖層劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶（如圖1-2）。Singh 和 Yadav[30]使用粘彈性模型預(yù)測(cè)了長(zhǎng)壁開采影響下的裂隙區(qū)截面特征。錢

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文受井下巷道工程條件的限制，且不干擾井下正常生產(chǎn)，采空區(qū)瓦斯被直接抽采至地面，安全性高。但仍存在鉆井井位和層位不夠精準(zhǔn)、抽采能耗大等問題，尤其缺乏采空區(qū)瓦斯專用地面抽采技術(shù)。井地聯(lián)抽是從地面向下垂直施工鉆井，并與采煤工作面主回風(fēng)巷貫通。并通過鉆井內(nèi)的抽采管與采空區(qū)主回風(fēng)巷布置的抽采管路連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯的抽采（如圖 1-8）。該方法操作難度較大，抽采濃度偏低。
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