深部开采煤层高压注水逾渗机理与工艺技术研究

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国内外研究、实践证明,煤层注水是一种积极主动减少粉尘产生的有效方法,同时具有降温、延长自然发火期、预防冲击地压、挤排瓦斯等功效。近年来,随着对能源需求量和开采强度的不断加大,浅部资源日益减少,国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段。深部开采煤层“三高一扰”问题突出,原煤岩应力高、孔隙裂隙不发育、渗透率低、瓦斯含量高且压力大等问题严重制约着煤层注水技术的推广应用。  针对上述问题,本文以东滩煤矿1305工作面煤岩为例,利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行了煤岩试件的单轴抗压、抗拉以及三轴压缩与渗透特性试验,并对比不同条件下的试验结果,分析了应力、水压作用对煤岩的基本力学性能与渗透特性的影响;运用渗流与力学理论对试验结果进行探讨,分析了埋深、水压、应力对裂隙煤岩渗透性能的影响,以及水压对煤岩的挤入、劈裂等破坏情况,从理论角度解释了煤层注水过程中水在沟通裂隙中的渗透运动、组合孔隙中的压差运动、死端孔隙以及微孔隙中的毛细运动与扩散运动等过程;通过逾渗理论与双重介质理论的有机结合,建立了煤岩裂隙孔隙双重介质逾渗模型,并利用该模型与煤岩渗透特性试验数据对应力、水压作用下深部开采煤层高压注水过程中的逾渗机理进行了分析,得出不同条件下煤岩发生逾渗相变时的空隙率,即逾渗阈值分别为φ-0.56228%、φ-0.55368%、φ-0.4553%、φ-0.49384%、φ-0.49384%、φ-0.462%、φ-0.28163%,且相变前后呈现两处渗流增速较高点,并确定了其对应的应力状态,为合理确定煤层注水区域与参数提供了依据。  本文在理论分析与试验研究的基础上,设计优化了不同区域高压、低压相互配合的煤层高压注水逾渗工艺技术,并在东滩煤矿1305工作面进行了现场应用试验。试验结果显示,煤层高压注水逾渗工艺技术有效的改善了难注水煤层的渗透性能,提高了煤层注水量,取得了较好的煤体湿润效果,达到了防灾减灾目的。
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