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原文传递公路穿煤隧道的揭煤防突及施工通风

论文题名：	公路穿煤隧道的揭煤防突及施工通风
关键词：	煤层瓦斯;流固耦合;公路穿煤隧道;施工通风
摘要：	瓦斯是地质作用下的产物，是以甲烷为主，并且混杂着一些有害气体的多组分气体。在我国的煤矿安全事故中，瓦斯事故所占比重最高。随着科技的进步以及国民经济发展的需要，地下工程和隧道的长度不断延伸，在选线上尽管有意绕过煤系地层，但由于种种原因，有时不得不通过煤系地层，于是将会遇到穿煤隧道的施工。　　在穿煤隧道施工过程中，为了防止煤和瓦斯的突出以及其他瓦斯灾害的发生，必须寻求一种有效的揭煤防突措施。而对隧道内的瓦斯积聚问题必须寻求一种有效的施工通风方案。然而我国煤储层渗透率大多都很低，而且储层结构特征复杂，造成煤层气抽采率低，因而探索一种高效且实用的煤层瓦斯抽采激励技术非常必要。现有的瓦斯抽采激励技术有造穴、水压致裂、注气、松动爆破等。振动脉冲作为提高瓦斯抽采的技术，还可与常用的抽采技术相配合。早在上世纪五、六十年代，美国和苏联就开始了振动处理油层的相关研究，然而振动作用下煤层气的运移机制还不明确。本文依托教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-09-0844)和国家自然科学基金(50804060)，运用理论推导和数值模拟的方法研究振动作用下煤层物理场及渗流场规律，并针对公路穿煤隧道施工，研究和分析了瓦斯隧道岩柱稳定性问题和隧道瓦斯通风。各章节具体研究工作如下：　　第一章，主要论述了瓦斯解吸/吸附和煤层瓦斯渗流力学，以及瓦斯隧道工程在国内外的研究现状，并拟定了本文的研究内容和研究方法。　　第二章，首先讨论了煤层瓦斯的解吸/吸附特性及煤层瓦斯的解吸-扩散规律，通过对Langmuir瓦斯等温吸附方程的温度修正，以及温度作用对瓦斯解吸扩散的影响分析，建立了不同温度、不同瓦斯压力条件下的煤层瓦斯解吸.扩散动力学模型。然后从煤储层结构特征入手，将煤层简化为便于数学描述的二组裂隙和三组裂隙几何模型，通过对煤层裂隙宽度影响因素进行分析，以及煤层裂隙与基质相互作用关系的引入，建立了基于煤层裂隙-基质相互作用原理的煤层瓦斯渗透率模型和煤层孔隙度模型，分析了二组裂隙和三组裂隙系统下的煤层瓦斯渗透率规律，并对渗透率模型中瓦斯压力与煤层应力和渗透率关系进行了讨论。　　第三章，从振动作用的热效应入手，分析了振动对煤层瓦斯渗流的作用。通过振动作用下煤层的热平衡方程，孔隙度模型和基于有效应力的渗透率模型，建立起振动作用下煤层有效应力场.温度场.渗流场动态耦合模型，分析了振动作用下煤层气的解吸、渗流特性。分析结果表明：振动作用促进煤层瓦斯的解吸扩散，降低煤层有效应力，增大煤层孔隙度，加快煤层瓦斯渗流，提高煤层开采率。然后分析了不同频率、振幅的振动在多孔介质中的传播特性，并将其引入到煤层瓦斯渗流模型中，分析不同振幅、频率的振动作用下瓦斯的渗流特性，分析结果表明：煤层瓦斯渗透率随着振动幅值的增加而增大；随着振动频率的增加却是先增大，然后减小，并存在一最优频率。　　第四章，针对公路瓦斯隧道施工过程中的通风技术进行分析研究，研究了有机械通风和无机械通风时隧道瓦斯的时空演化特性，确定了瓦斯浓度与通风风速、通风时间的相互关系，建立了通风最大间隔时间与瓦斯抽采量关系式以及隧道通风时间与风速和隧道出口到瓦斯段距离的关系式，并针对瓦斯抽采量和瓦斯段与隧道出口距离提出两种瓦斯通风方案。针对公路穿煤隧道施工过程防突问题，研究了穿煤隧道施工时围岩稳定性，分析了预留岩柱厚度和揭煤施工方法对其稳定性的影响，为急缓倾煤层以及软硬岩穿煤隧道施工提出了合理的揭煤方法和预留岩柱厚度。
作者：	彭海游
专业：	土木工程
导师：	赵瑜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文