大倾角煤层群采动区地面井变形规律及失稳机制

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采动区地面井卸压瓦斯抽采技术是实现高瓦斯矿井安全高效开采的有效方法,同时也是降低煤矿“碳”排放、提高煤矿煤层气抽采效率的重要措施。由于该技术需要保证地面井管路在煤层采动后仍能保证井身结构的稳定性,进而达到顺利抽采瓦斯的目的,因此,对于采动过程中地面井变形规律的研究就十分重要,除此以外大倾角煤层群开采条件下岩层移动较为复杂,这也导致采动区地面井卸压瓦斯抽采技术的应用面临了前所未有的挑战。因此,本文以新疆1930煤矿大倾角煤层群开采的地质条件为基础,采用理论分析、数值模拟、实验室试验等多种研究手段对大倾角煤层群开采条件下覆岩破坏特征、地面井变形规律及其失稳机制进行了研究,研究成果可为大倾角煤层群开采条件下地面井卸压瓦斯抽采技术的应用提供理论基础。论文主要取得了以下研究成果:(1)大倾角煤层开采时,岩层的垮落情况、煤层应力变化情况与近水平煤层开采时存在明显差异,垮落情况呈现出一种不对称的形式,这也导致了开采引起的上覆岩层的卸压范围存在非对称性,同时上覆煤层的应力变化在空间上存在不对称的情况,在时间上不同煤层的开采引起的应力变化情况也有所不同。(2)大倾角多重采动下,地面井管道处于剪切、挤压、拉伸的复合应力状态,由于煤岩层倾角的存在,导致煤岩层自重力更多的施加在地面井管道的径向方向,因此,地面井的径向变形总是大于轴向的变形,即地面井在采动作用过程中所受的剪切作用占主导地位。(3)由于地面井的施工破坏了钻井附近岩层的完整性和稳定性,使得地面井管道周围的岩体强度变低更容易发生破坏,因此,当工作面推进至地面井位置附近时,采动引起的岩层移动更加剧烈,进而导致地面井管道发生失稳破坏,这种现象在大倾角煤层群的开采条件下更加明显。(4)大倾角煤层群开采条件下,地面井的变形高危位置判别主要存在以下四种影响效应:变形模式影响效应、关键层影响效应、岩层岩性及厚度影响效应、多煤层影响效应。(5)地面井的剪切变形失稳过程中可以分为5个阶段和2个部分,5个阶段分别为胶结面变形段、胶结面破坏段、护环剪切段、钢管剪切段和破坏段,两个部分分别是胶结面的剪切破坏部分和护环与钢管的剪切破坏部分。(6)根据地面井变形规律设计了地面井地层模型的逐级剪切实验,进一步证明了地面井剪切失稳破坏主要是由于剪切变形超过了变形极限值,而在多重采动影响下地面井的剪切变形极限值较小,从而导致地面井更易发生破坏。
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