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第1章 深部开采定义与采动力学 1

1.1 深部开采的定量界定与分析 1

1.1.1 地应力测试数据统计特征 1

1.1.2 国内有关矿区地应力测试结果 2

1.1.3 深部的力学定义 3

1.1.4 不同深度煤岩体采动力学性质研究 7

1.2 极限开采深度探讨 12

1.2.1 基于地温平均梯度的极限开采深度探讨 13

1.2.2 基于巷道围岩变形的极限开采深度探讨 15

1.2.3 基于巷道围岩弹性能分析的极限开采深度探讨 19

1.3 不同开采条件下采动力学行为 21

1.3.1 不同开采条件下支撑压力分布规律 21

1.3.2 不同开采条件下工作面前方煤岩体应力环境 25

1.3.3 不同开采条件下工作面前方煤体采动力学实验研究 27

1.3.4 不同开采条件下岩石的变形破坏特征及对比分析 32

参考文献 33

第2章 多尺度煤的瓦斯吸附特征及规律 35

2.1 分子尺度上煤体表面瓦斯吸附作用的模拟 35

2.1.1 简单煤表面模型上瓦斯吸附的特征 35

2.1.2 非均质煤结构模型与瓦斯的相互作用规律 41

2.2 细观尺度煤体瓦斯吸附的模拟 46

2.2.1 温度压力对瓦斯在煤中吸附的影响 46

2.2.2 瓦斯在煤表面的竞争吸附和吸附促进解吸的机制 56

2.3 宏观尺度瓦斯吸附的动平衡和动力学模型 66

2.3.1 吸附势理论研究超临界状态下的甲烷气体吸附 67

2.3.2 不同煤样瓦斯吸附动力学模型的建立 84

2.4 煤体孔隙结构对瓦斯吸附特征的影响 89

2.4.1 煤体孔隙结构特征的分形表征 89

2.4.2 煤体结构对瓦斯吸附行为的影响 98

2.4.3 煤体粒度与瓦斯吸附行为的关系 104

参考文献 107

第3章 深部煤与瓦斯共采下采动煤岩体增透率理论 110

3.1 增透率定义及基于平板流体模型的增透率理论 110

3.1.1 增透率定义及概念模型 111

3.1.2 基于平板流体模型的增透率理论 112

3.2 基于采动裂隙场的煤岩增透率理论室内试验验证 113

3.2.1 采动卸压增透试验平台的构建 113

3.2.2 保护层开采条件下增透率室内试验及理论验证 116

3.2.3 放顶煤开采条件下增透率室内试验及理论验证 120

3.2.4 无煤柱开采条件下增透率室内试验及理论验证 122

3.2.5 不同开采条件下煤岩增透率室内试验比较分析 123

3.3 现场增透率测试及采动增透图谱分析 127

3.3.1 基于平板流体模型煤层增透理论现场试验 128

3.3.2 采场区域增透率空间分布图谱 132

参考文献 138

第4章 深部煤与瓦斯共采下采动裂隙演化规律与反演分析 139

4.1 深部长壁工作面覆岩采动裂隙网络演化特征 139

4.1.1 深部长壁工作面覆岩运动相似材料模拟实验研究 139

4.1.2 采动岩体裂隙分形网络维数演化规律 141

4.1.3 采动裂隙长度分维与工作面推进长度的关系 142

4.1.4 采动裂隙网络的逾渗与分形特征关系研究 146

4.1.5 基于采动裂隙场的瓦斯渗流演化过程 151

4.2 深部采动裂隙网络实时演化及连通性特征的现场研究 165

4.2.1 工程背景及工作面前方钻孔布置方案 165

4.2.2 工作面前方钻孔孔壁裂隙演化特征 167

4.2.3 钻孔孔壁裂隙分维及孔深方向连通率演化特征 175

4.3 深部采动裂隙网络统计特征建模与重构研究 178

4.3.1 裂隙网络统计模型概述 178

4.3.2 椭圆状非平行裂隙特征尺寸分布的解析式推导 179

4.3.3 基于钻孔矩阵数据的椭圆状裂隙尺寸研究 190

4.3.4 煤岩体采动裂隙网络重构与反演分析 201

参考文献 207

第5章 深部煤与瓦斯共采条件下采动破断煤岩体中瓦斯运移规律 212

5.1 深部煤与瓦斯共采基础研究系列试验装置 212

5.1.1 煤岩热流固耦合试验系统 212

5.1.2 多功能真三轴流固耦合试验系统 214

5.1.3 多场耦合煤与瓦斯共采模拟试验系统 218

5.1.4 三向加载大型三维相似模拟试验系统 220

5.2 深部采动煤岩力学特性与渗流规律的试验研究 221

5.2.1 常规加载条件下煤岩力学及渗流特性试验 221

5.2.2 不同加卸载条件下煤岩力学及渗流特性试验 229

5.2.3 峰后煤岩力学及渗流特性试验 238

5.2.4 真三轴应力条件下的流固耦合试验 240

5.3 深部煤岩体多物理场耦合理论研究 244

5.3.1 含瓦斯煤渗透率理论模型 244

5.3.2 煤岩体热流固耦合模型的建立 254

5.3.3 煤岩体热流固耦合模型的应用 263

5.3.4 基于不同流动形态分区的煤层瓦斯运移模型 267

5.4 深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集规律 269

5.4.1 深部采动应力条件下覆岩裂隙演化规律的试验研究 269

5.4.2 深部采动破断煤岩体中渗透率分布规律的数值模拟研究 276

5.4.3 基于三维相似模拟试验的瓦斯运移与富集规律数值模拟研究 276

参考文献 283

第6章 深部开采瓦斯流动通道形成机制与人工导控技术 286

6.1 瓦斯自主通道与导向通道的概念与内涵 286

6.1.1 瓦斯自主通道 286

6.1.2 瓦斯导向通道 287

6.1.3 瓦斯钻孔蝶形导向通道的形成机制 289

6.2 瓦斯自主通道几何特征与流态方程 300

6.2.1 瓦斯自主通道的演化与渗透率耦合特性的实验室研究 300

6.2.2 采动煤岩卸荷增透理论模型与瓦斯自主通道定量表征 312

6.2.3 瓦斯自主通道的流态特征 317

6.3 深部开采瓦斯流动通道形成的力学机制与时空演化规律 332

6.3.1 工作面前方采动裂隙与瓦斯通道 332

6.3.2 采场覆岩瓦斯通道形成机制与规律 339

6.3.3 底板裂隙形成机制与瓦斯通道 347

6.4 深部开采瓦斯导向通道的构建与应用 356

6.4.1 工作面前方瓦斯流动通道特征的现场试验 357

6.4.2 采场覆岩瓦斯导向通道的构建 359

6.4.3 采场底板岩层瓦斯导向通道的构建 371

参考文献 389

第7章 深部开采单一低透煤层增透机制及有效抽采技术 392

7.1 单一低透煤层卸压增透及瓦斯解吸流动规律 392

7.1.1 单一低透煤层吸附解吸特性及影响因素 392

7.1.2 瓦斯渗流特性及影响因素 403

7.1.3 水力化钻孔卸压增透范围内瓦斯流场时空演化规律 410

7.2 钻孔射流割缝卸压增透机制及数值模拟 416

7.2.1 瓦斯流动模型的建立 416

7.2.2 割缝卸压区瓦斯流动分析 418

7.2.3 割缝卸压区煤体增透分析 426

7.2.4 钻孔射流割缝卸压增透数值模拟 427

7.3 钻孔射流割缝及脉动压裂耦合增透技术 439

7.3.1 基本原理 440

7.3.2 设备研发 441

7.3.3 试验分析 443

7.4 工程应用及效果分析 452

7.4.1 试验矿井之一的古汉山矿 453

7.4.2 试验效果及分析 456

7.4.3 试验矿井之二的平煤12矿 461

7.4.4 试验效果及分析 462

参考文献 466

第8章 深部煤层群煤与瓦斯共采关键技术 469

8.1 煤层群煤与瓦斯共采时空协同机制 469

8.1.1 煤层群开采条件下煤岩介质裂隙演化规律 469

8.1.2 煤层群开采条件下煤岩介质渗透性演化规律 486

8.1.3 基于多示踪气体的近距离煤层群瓦斯越流现场实测 495

8.2 煤与瓦斯共采控制参数指标体系与评价模型研究 499

8.2.1 煤层群煤与瓦斯共采影响因素统计、辨识与量化研究 500

8.2.2 煤与瓦斯共采评价体系与评价模型 501

8.2.3 典型矿区煤与瓦斯共采协调性分析 508

8.3 煤层群煤与瓦斯共采抽采优化技术与应用 512

8.3.1 近距离煤层群煤与瓦斯共采技术应用 512

8.3.2 远距离煤层群煤与瓦斯共采技术应用 524

8.3.3 近距离煤层群上行开采煤与瓦斯共采技术应用 532

参考文献 540