【摘 要】
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本文围绕矿井深部开采富含瓦斯、低渗透煤层过程中瓦斯防治重要的基础理论——工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化、瓦斯运移及其测试方法这一系统问题展开研究。理论分析掘进、爆破及开采扰动富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化机理、瓦斯渗流和瓦斯涌出规律;实验研究深部矿井煤系煤层和岩层瓦斯赋存的基本规律和工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化规律;结合实验矿井煤层地质条件数值模拟研究沁水煤田实验煤层在工程扰动下富含瓦斯
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本文围绕矿井深部开采富含瓦斯、低渗透煤层过程中瓦斯防治重要的基础理论——工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化、瓦斯运移及其测试方法这一系统问题展开研究。理论分析掘进、爆破及开采扰动富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化机理、瓦斯渗流和瓦斯涌出规律;实验研究深部矿井煤系煤层和岩层瓦斯赋存的基本规律和工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化规律;结合实验矿井煤层地质条件数值模拟研究沁水煤田实验煤层在工程扰动下富含瓦斯煤岩层的损伤破坏演化及瓦斯运移规律;研发防爆型超高精度示踪气体定量分析测试系统及建立实测工艺技术体系,并在沁水煤田实验煤层开展井下实测工业试验研究。本文主要研究成果如下:（1）理论分析了工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏机理及瓦斯渗流规律,得出掘进扰动煤层水平方向的三带分布特征,以及应力重构后三带划分及瓦斯渗流规律;分析得出爆破扰动煤层爆炸冲击波和应力波作用于爆破钻孔煤壁后能量及应力的传播规律,以及爆生气体作用下爆破钻孔周围煤体裂隙二次扩展总长度的起裂条件;分析得出开采扰动上覆岩层形成的竖三带和横三区的分布特征,以及裂隙场内瓦斯运移规律。（2）系统阐述了工程扰动下富含瓦斯煤岩层瓦斯涌出规律,研究得出以煤层赋存参数及掘进生产参数为基础的掘进扰动煤层瓦斯涌出数学模型;研究得出开采扰动上覆岩层损伤破坏过程的瓦斯来源,针对不同瓦斯来源分别深入研究了岩层、邻近煤层、采场煤壁、采场落煤和采场采空区遗煤瓦斯涌出规律,并建立了相应的实测方法及瓦斯涌出数学模型。（3）以沁水煤田煤系富含瓦斯煤岩层为实验对象,通过对微观孔隙发育特征的实验研究,得到了渗透性、极限吸附量、裂隙分布等随岩性变化的规律。（4）实验研究了工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化规律,运用分源测试方法研究得出了掘进扰动富含瓦斯煤层不同时刻和位置瓦斯涌出特性,从而宏观分析出掘进扰动煤层损伤破坏演化的时空规律;运用瓦斯抽采参数统计方法研究得出实验工作面爆破扰动煤层损伤破坏的极限值;运用微震监测方法研究得出了实验工作面开采扰动煤岩层损伤破坏纵向范围和顺槽外侧横向范围。（5）应用数值模拟方法研究了工程扰动下富含瓦斯煤岩层损伤破坏演化规律,结合沁水煤田实验矿井煤层地质条件构建了数值计算模型,运用COMSOL数值模拟软件研究得出实验煤层巷道掘进扰动过程中有效预排瓦斯时间和损伤破坏带宽度的极限值。运用PFC2D数值模拟软件研究得出爆破扰动爆破钻孔周围煤层破坏区半径和损伤区范围。运用UDEC数值模拟软件研究得出回采工作面推进过程中上覆岩层损伤破坏的范围。（6）基于防爆型超高精度示踪气体定量分析系统,并首次构建了基于气体示踪原理的井下煤岩层损伤破坏演化规律的实测工艺技术体系,并在实验矿井进行实测研究表明掘进及爆破扰动煤层损伤破坏带范围实测值与理论计算结果一致,开采扰动上覆岩层损伤破坏带范围实测值与理论计算结果误差值在可接受的范围。
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