复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究
随着开采深度及强度的增加，一些相距较近的坚硬岩层随采动影响出现了复合效应，由此产生的矿山压力显现对煤层瓦斯抽采提出了新的课题。因此，研究坚硬岩层的复合效应及其对煤层瓦斯渗流规律的影响，对于指导复合关键层下煤层瓦斯抽采具有重要的理论和工程意义。论文主要研究成果如下：
（1）在关键层理论基础上，利用复合材料结构力学理论，建立Winkler地基上复合关键层模型，对复合关键层判别进行分析，并计算Winkler地基上复合关键层破断距。利用复合关键层挠曲在其紧邻下部岩层形成的支承压力向深部传递、扩散和衰减，求得了复合关键层下煤体支承压力，分析了复合关键层下煤体极限平衡区宽度，为复合关键层下工作面跨落步距的确定及支架选型提供了理论依据。
（2）运用FLAC3D数值模拟，对比分析了复合关键层、组合关键层与非复合关键层的破断规律、支承压力分布与煤体变形规律；应用物理模拟实验，分析得出了复合关键层破断与采场支承压力分布规律，有效揭示了关键层的复合效应。
（3）利用煤样全应力应变过程渗透特性的电液伺服试验，测定了煤体的气体渗透率，并分析了应力、应变、孔压等对煤体渗透系数的影响：建立了复合关键层下煤层瓦斯渗流耦合数学模型，并对煤层瓦斯渗流耦合模型进行了时间变量的离散、表征单元体解析及煤体变形场方程的离散，为渗流耦合数学模型的数值计算奠定了基础。
（4）通过RFPA2D数值模拟，分析了复合关键层和非复合关键层对本煤层支承压力及瓦斯渗流的影响，分析了两种条件下开采引起的上覆岩层运动、支承压力和瓦斯渗透系数变化的规律。
（5）通过亭南煤业公司101综放面矿压观测与瓦斯涌出监测，得出工作面来压步距与煤体支承压力，与Winkler地基复合关键层理论计算结果相近；分析了支承压力与煤体变形对瓦斯涌出的影响，其瓦斯涌出规律与渗流耦合模型数值计算结果相似，从现场实例验证了论文理论分析的正确性；在此基础上，对工作面煤层瓦斯预抽参数进行了优化设计。
论文通过复合材料结构力学理论建立了Winkler地基复合关键层模型，对复合关键层破断距及工作面前方支承压力进行了分析，在此基础上建立了复合关键层下煤层瓦斯渗流耦合模型，将研究成果成功应用于亭南煤业公司101综放面，并对101综放面煤层瓦斯预抽参数进行了优化设计，抽放效果显著，取得了一定的经济和社会效益。
复合关键层;采场压力;煤层瓦斯;渗透特性;渗流耦合模型
西安科技大学
博士
安全技术及工程
李树刚
2009
中文
TD325
141
2009-12-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）