急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围划定方法研究

Protective seam mining is generally recongnized as the most efficient gas disaster control method, which could reduce underground stress, gas pressure and gas content, thus leading to radically eliminate the outburst risk of protected coal seam. However, the accurate and quantitative demarcation of protection scope is the key of protective seam mining. Aiming at the existence problem in regard to steep seam group mining using pitching oblique mining method, based on academic viewpoint, which assums that pressure relief and elimination of gas outburst is the coupling result of rockmass deformation and gas seepage，and gas seepage law for low permeability and outburst coal seam, the dynamical solid-gas coupling mathematical model for coal and gas outburst under finite deformation is established, the limit gas pressure for coal and gas outburst is solved, discriminant criterion based on limit gas pressure of protection range for protective seam is proposed; secondly, solid-gas coupling mathematical mode for steep seam group mining using pitching oblique mining is established, and the demarcation of protection scope using discriminant criterion based on limit gas pressure is determined, and is also verified in engineering practices; lastly, based on the above method, data sample for steep seam group mining using pitching oblique mining method under different geology mining conditions was built; combined with mathematical statistics method, the protection scope change law for steep seam group mining using pitching oblique mining method is studied, and a new demarcation method of protection scope for steep seam group mining using pitching oblique mining method is presented.

保护层开采是目前国内外公认的一种降低煤层地应力、瓦斯压力和瓦斯含量，从而从根本上消除被保护层煤与瓦斯突出危险性的最有效瓦斯灾害治理方法，而保护层开采的关键在于保护范围的准确、定量划定。本项目针对急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围划定存在的问题，基于“被保护层的卸压消突是煤岩体变形与瓦斯渗流耦合作用结果”的学术观点，通过研究低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律，构建有限变形下的煤与瓦斯突出固-气动态耦合失稳数学模型，求解突出煤层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值，提出保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则；其次，构建急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采瓦斯越流的固-气耦合数学模型，划定基于极限瓦斯压力判别准则的保护层开采保护范围，并进行工程验证；最后，基于前述方法建立不同地质开采条件下的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围数据样本，结合数理统计方法确定急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的保护范围变化规律，进而提出一种新的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的保护范围的划定方法。

急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的有效保护范围的准确、定量划分是保证急倾斜高瓦斯突出煤层群被保护层的安全、高效开采的关键，是煤炭开采领域国内外学者所关注的科学技术难题热点之一。. 本项目通过研究矿井的煤岩基本物理力学性质实验，得到了研究矿井的煤岩物理力学参数；采用重庆大学自行研制的煤体三轴渗流试验装置，对研究矿井的突出煤层开展了三轴应力作用下低渗透突出煤体的瓦斯渗流试验，获得了孔隙瓦斯压力作用下的煤体有效应力变化规律和渗透率与孔隙瓦斯压力的变化规律。基于实验结果，根据瓦斯突出是煤体与瓦斯固-气耦合作用下的煤岩体发生失稳破坏的观点，构建了有限变形下的煤与瓦斯突出的固-气动态耦合失稳数学模型，求解了研究区域开采条件下的突出煤层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值，构建了保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则。通过建立急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的瓦斯越流固-气耦合数学模型并进行数值求解，获得了研究区域的保护层开采后被保护层的瓦斯压力分布规律，划定了基于极限瓦斯压力判别准则的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的保护范围。结合研究区域急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围的现场考察试验，验证了基于极限瓦斯压力判别准则的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围划定方法的正确性及可靠性。通过改变地质开采条件，采用前述方法得到了不同地质开采条件下的基于极限瓦斯压力判别准则的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围数据样本，结合数理统计方法确定了急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围变化规律的数学关系。. 该方法可应用于不同地质开采条件下的急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的保护范围的划定，为急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采保护范围的划定提供了一种新的方法，有助于矿井保护层开采理论的发展和完善，对急倾斜煤层群俯伪斜保护层开采的矿区瓦斯灾害控制具有重要的理论意义和工程应用价值。