卸压开采对上覆煤岩层卸压机制及其量化表征

Depressurized mining is the most effective technique for gas control, coal and gas co-extraction and rock burst prevention. The scientific determination of depressurized range and extent are of the essence to this technique. According to the traditional theory of depressurized mining, depressurized mining will cause “three zone” distribution, or caving zone, fracturing zone and bending/subsiding zone, to occur in overlying coal and rock strata. Starting from this viewpoint, this project proposes that fracturing zone and bending/ subsiding zone are the results of dilation and deformation of coal and surrounding rock strata. Therefore, by studying the dilation and deformation mechanism of overlying coal layers under depressurized mining and its coupling relations with in-situ stress, permeability and flow of methane, a quantitative model can be established to describe destressing and degassing of overlying coal layers caused by depressurized mining. Then based on the proposed model, the effective depressurized range and extent in overlying coal layer can be finally determined. This study can provide concrete support for the effective application of depressurized mining technique.

卸压开采是煤矿瓦斯治理、煤气共采、防治冲击地压等最有效的技术手段，卸压范围和卸压程度的科学确定又是衡量这一技术手段成败的关键。依据卸压开采的传统理论，卸压开采会引起上覆煤岩层呈现冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的“三带”分布特征。本项目以此为出发点，认为裂隙带和弯曲下沉带都是煤岩层膨胀变形的结果，因此，通过研究上覆煤岩层在卸压开采影响下的膨胀变形机制及其与地应力、渗透率、瓦斯运移的耦合关系，建立卸压开采对上覆煤岩层地应力-瓦斯双重卸压的量化模型，依据量化模型确定有效卸压范围和卸压程度，支撑卸压开采技术的有效应用。

我国一直高度重视煤矿安全问题，面对依然严峻的煤矿瓦斯灾害事故，实现安全高效开采，是当务之急。卸压开采是煤矿瓦斯治理最有效的技术手段，但目前卸压开采技术尚存在以下问题：《防突细则》推荐的卸压范围与实际值存在偏差；理论研究和定量化研究滞后；卸压有效性评价不完善。因此，本项目针对卸压开采对上覆煤岩层卸压机制及其量化表征问题，重点围绕地应力与瓦斯双重卸压、采动煤岩体膨胀变形、裂隙分布特征、渗透率演化特征等方面，开展了系列化基础实验研究。采用理论分析、室内试验、物理相似模拟、数值模拟与现场验证等方法综合研究，针对采动煤岩体膨胀变形与卸压开采量化等主要问题，开展深入研究，历经四年完成了相关研究内容，取得了主要进展成果如下：（1）阐明了保护层开采卸压机制并提出了地应力与瓦斯双重卸压内涵及消突思想；（2）建立了上覆煤层地应力-瓦斯双重卸压量化模型，并对模型进行了敏感性分析；阐明了采动煤岩体膨胀变形机制，综合考虑采高、层间距、层间岩性结构对上覆煤岩层膨胀变形的影响，建立了采动煤岩体膨胀变形理论模型；（3）开展了不同加卸载条件下分阶段卸围压渗流实验，进而获得了煤体膨胀变形裂隙分布特征；（4）依据物理相似模拟与数值模拟，揭示了采动煤岩体渗透率与应变率关系及渗透率演化规律；（5）揭示了采空区渗透率分布特征，获得了采空区瓦斯运移规律；（6）确定了基于现场验证下的卸压范围。在国家自然科学基金项目的资助下，本项目共公开发表期刊论文31篇，其中SCI检索28篇、EI检索3篇；获授权发明专利8项；培养博士研究生4人，硕士研究生6人。项目圆满完成了申请书和计划书中规定的内容，取得了预期的研究成果。本项目研究成果可为煤矿卸压开采、煤与瓦斯突出防治技术等提供重要的理论与技术支持，对矿山行业以及地下工程灾害防治具有重要的科学意义。