煤层群重复采动卸压瓦斯储运区演化规律实验研究

为进一步研究煤层群重复采动卸压瓦斯储运区动态演化规律,以贵州某矿16~#、18~#煤层开采工作面为背景,通过物理相似模拟实验,研究了煤层群重复采动后上覆岩层裂隙分布特征,明确了卸压瓦斯储运区演化规律,提出了相应的判别方法,并进行了工程应用。结果表明,实验矿井上层煤开采后,覆岩垮落带高度11 m、裂隙带高度53 m。工作面附近覆岩关键层形成的砌体梁结构与其下方岩层之间的离层裂隙成为卸压瓦斯储集的空间。当下层煤开采后,受重复采动的影响,垮落带和裂隙带高度分别为13和83 m。上下煤层之间存在关键层,在其下部仍会形成瓦斯储集空间,采动裂隙贯通后下煤层卸压瓦斯易沿着裂隙区通道向上运移至煤层间隔层关键层下的储集空间,再顺着上煤层冒落带内裂隙通道继续向上。此时,上煤层采动形成的瓦斯储集空间也将充满瓦斯成为抽采的重点区域。基于此,提出采动卸压瓦斯储集空间判别方法,并在贵州某矿进行了抽采验证,抽采效果良好,保证了工作面的安全生产。     

蹬空开采顶底板破坏特征及控制技术

针对山西中新甘庄煤业有限责任公司矿井整合后8#煤层蹬空开采会对顶底板围岩造成二次破坏的问题,采用理论分析及数值模拟研究的方法对蹬空开采顶底板破坏特征进行了研究。结果表明:8#煤层蹬空开采垮落带最大高度大于7#、8#煤层最小垂距,底板导水裂隙带深度小于8#、11#煤层垂距.当工作面推进至7#煤柱下方时,矿压显现更严重.并就可能出现的开采安全隐患提出了相应的应对措施.     

保护层开采过程中围岩应力演化规律研究

分析了冲击煤层上保护层开采过程中围岩应力演化规律,研究表明：在工作面开采前方0～20m范围煤岩体内纵向压力处于增长阶段,应力集中系数达到2.0,在20～60m为纵向压力逐步恢复阶段,应力集中系数达到1.7,应力集中峰值出现在工作面前方5m处左右,工作面开采50m之后,超前支撑压力有规律的呈现两次应力集中和两次应力释放现象;分析了保护层采空区及工作面下覆不同垂直高度处围岩应力随煤层开采进度演化规律,指出采空区纵向应力随采空区深入,呈现逐步增大趋势,在采空区两侧下方被保护层应力值升高幅度要大于其中间区域,保护层工作面的压实作用传递到被保护层工作面在空间上稍微滞后,这个滞后的距离在30～40m之间。     

近距离上保护层开采下伏煤(岩)裂隙时空演化过程分析

为研究近距离上保护层开采下伏煤(岩)的裂隙时空演化特征,以平煤五矿为例(保护层与被保护层平均层间距为8 m),利用3DEC软件模拟不同开采距离下伏煤(岩)裂隙发育及分布特征,统计被保护层穿层斜交卸压瓦斯钻孔的抽采数据并对保护层开采效果进行验证。结果表明,随着保护层工作面的不断推进,底板岩层内裂隙逐步发育并向深部延伸;从回采8 m开始,被保护层己16-17煤层已出现裂隙发育,当回采18 m时,己16-17煤层内横向裂隙和垂向裂隙发育明显;然而,当回采24 m时,由于采空区上覆岩体的垮落压实作用,底板岩层内的裂隙将发生闭合现象。沿着水平方向,底板岩层裂隙依次可以分为原始状态区、高强度卸压增透区和重新压实区。随着卸压效果越来越明显,被保护层月瓦斯抽采量由2014年6月至11月逐渐增大,最大值达到每月174 400 m3;之后,由于被保护层裂隙闭合,每月瓦斯抽采量开始降低,并逐渐稳定在每月50 000 m3左右。     

双煤层采动岩体裂隙分形特征实验研究

以离石—军渡高速公路师婆沟隧道下伏同德煤矿采空区为地质原型,利用相似材料模拟实验模拟双煤层采动岩体裂隙的发育过程,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带的岩体裂隙分形特征。实验结果表明:在下层煤工作面推进距离相同情况下,采空区冒落带分形维数大于裂隙带分形维数;随着下层煤工作面推进距离的增大,双煤层采动岩体裂隙分形维数经历了从小到大再到小并稳定的变化过程;当下层煤开采结束且上覆岩层移动基本稳定之后,双煤层采空区冒落带、裂隙带的岩体裂隙分形维数分别为1.066 3,0.999 5,冒落带分形维数是裂隙带分形维数的1.067倍。研究成果为高速公路下伏双煤层采空区地基稳定性评价及采空区充填注浆设计提供科学依据。     

综放工作面初采期煤与瓦斯共采试验研究

回采工作面初采期间瓦斯涌出异常,通常被称为困难时期。文中以余吾煤业N2105工作面为例,理论分析了工作面煤与瓦斯共采机理,采用数值模拟的手段,用走向模型分析初采期覆岩中裂隙演化规律,倾向模型判断覆岩卸压稳定后采动裂隙发育区分布。研究得出,初采期间,伴随顶板来压现象,覆岩采动裂隙逐步向高层位发育,采空区内冒落岩层被压实时,裂隙发育达到最高层位;距采空区上端头0~50m范围和煤层顶板上方30~50m范围空间交汇处,形成高浓度瓦斯富集区。工程试验表明,N2105工作面初采期间,覆岩采动裂隙逐渐发育,推进距达100~120m之间时,50#高位钻场瓦斯抽采量稳定在最高水平10m3/min,采动裂隙发育达到最高层位,并提出了高瓦斯工作面初采期定义,认为采空区内压实区形成时初采困难期结束。     

带压开采下组煤底板采动破坏深度现场实测及模拟

以团柏煤矿10#煤层10115综采工作面作为工程背景,研究带压开采下组煤10#煤层底板采动破坏深度。通过对开采前后煤层底面下不同深度岩石段开展压水试验,测取不同水压下的进(侵)水量,获得了大量的压水实测数据,同时采用F-RFPA2D分析系统模拟整个采场开挖对底板隔水岩层采动破坏规律及其深度,最后将现场实测数据与数值计算结果进行对比分析。研究表明,煤层开采所引起的底板直接破坏深度为9.5 m,底板采动最大破坏深度为12 m左右;运用F-RFPA2D模拟分析得出,老顶板初次来压步距为40 m,周期来压步距在12~16 m,当工作面推进至84 m时,底板破坏深度达到最大值12 m,该结果与现场测试结果基本吻合,同时验证了实测数据的可靠性和有效性。综合结果分析可知,团柏煤矿10#煤层底板采动破坏最大深度为12 m,该结论可为团柏煤矿带压开采下组煤水害防治提供参考依据和科学指导。     

采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟

以某矿综放工作面开采过程为背景,利用微震监测技术进行现场监测,并借助有限差分FLAC^3D进行数值分析,研究在采动应力场不断变化过程中底板岩体微震破裂事件的时空演化规律,揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯通过程.微震监测结果表明:微震事件数一定程度上反映了开采扰动对底板岩体破坏程度的影响;采煤期间,回采工作面附近微震事件呈现密集分布,底板岩体采动破坏严重,底板破裂深度达15m.数值分析表明:由于煤层采动导致采场周围应力重分布,工作面前方应力增高,采空区下方应力降低,底板岩体随工作面回采经历了应力集中、释放并最终破坏;底板塑性破坏区深度达14m.     

上覆不明采空区积水危险性判定技术研究

为确定胜利煤矿10#煤层上部采空区积水范围,保证煤层开采过程中避免受到水害威胁,运用板壳理论和关键层理论,建立胜利矿开采10#煤层采空区覆岩变形破坏的力学分析模型,结合经验公式法和数值模拟方法得出10#煤层各分区的最大导高和底板破裂的最大深度,通过上部采空区积水危险性判定准则,得出开采10#煤时将被上部6#煤层采空区积水影响,而不会受到2#煤层采空区积水的影响,为该矿防治水方案的提出和安全开采具有理论指导意义和实际应用价值.     

近距离煤层开采对上煤层煤柱氧化影响与治理研究

为研究下部近距离煤层开采引发上煤层工作面煤柱氧化问题,以某煤矿9#煤层2394工作面回风顺槽煤柱为研究对象,研究了其下方12#煤层2322工作面开采后采空区上方“两带”分布高度特征和下山边界影响区的范围。研究结果表明,该回风顺槽煤柱处于下煤层工作面采空区上方裂隙带及下山边界影响区范围内。同时,运用FLAC3D模拟了该煤柱内的应力、位移和变形破坏特征,模拟结果表明,下方12#煤层工作面开采是造成了9#煤层回风顺槽煤柱变形破坏的主要原因。由于煤柱破坏变形及在掘进正压通风的影响下,该煤柱内出现了高温氧化现象。通过采取煤层注水、喷浆隔氧、保障通风等措施,消除了煤柱火灾隐患。     

倾斜煤层采动影响下的挤压变形区移动变形特征分析

以重庆南桐矿区为工程背景,通过三维数值模拟方法,对倾斜煤层在三种不同开采宽度工况下上覆岩层移动挤压变形区特征进行了研究。结果表明:采宽由80 m增加到160 m时,煤层与岩层交接处应力变化较小,挤压变形区地表下沉速度较为缓慢;采宽由160 m增加到240 m时,煤层与岩层交接处应力变化非常显著,挤压变形区地表产生明显下沉;不同的开采工况下,挤压变形区沉陷位移都会出现一个峰值,且位于开采区下山方向,挤压变形区沉陷值受水平应力影响较小,走向和倾向方向的沉陷值以该峰值曲线呈中心对称。     

薄基岩厚冲积层倾斜采场覆岩破断及裂隙带发育高度研究

针对新河煤矿3302工作面薄基岩厚冲积层条件下煤层开采易发生透水事故的隐患,建立"砌体梁"结构模型并分析其稳定性,利用数值模拟的方法模拟倾斜工作面覆岩导水裂隙带发育高度,最后通过现场测试进行验证。结果表明:薄基岩厚冲积层条件下的倾斜工作面基本顶在发生破断后形成的"砌体梁"结构易发生回转变形失稳和滑落失稳,采空区导水裂隙带发育高度为55.3m,裂采比为11。     

基于UDEC的大采高覆岩破裂的模拟与分析

为了准确划分李雅庄煤矿冒落带和裂隙带的高度,采用UDEC4.0数值模拟软件对2-226工作面上覆煤岩层进行模拟,研究得到其两带高度为11~13 m和40~44 m,在采空区两侧20~30 m范围内存在较为明显的竖向破断裂隙;现场通过比较高位钻场抽采瓦斯纯量得到：高位钻场钻孔终孔层位距煤层垂高为11~23 m时抽采瓦斯效果最好,并将钻场终孔位置优化为14.7 m,现场考察结果与数值模拟结论较为吻合;研究成果为其他类似条件矿井采场及采空区瓦斯治理提供一定的依据.     

近距离煤层内错式开切眼合理错距的研究

为探究近距离煤层内错式开切眼水平错距的合理选取问题,以神东矿区某矿为工程研究背景,通过构建力学模型得到上覆煤层遗留停采煤层产生的附加应力对下方开切眼的应力解析解,采用数学分析得到下煤层的水平停采距离的合理范围,并运用FLAC3D数值模拟软件分析不同水平错距下切眼位置所处的应力环境,得到下煤层开切眼停采的水平距离为50 m时能够满足巷道布置要求。通过地质雷达进行开切眼巷道的围岩松动圈的测试,得到开切眼巷道松动圈的范围为3.1 m~3.8 m,切眼巷道左帮的破碎范围大于顶板,开切眼巷道围岩完整性较好。研究结果表明,下煤层内错式开切眼停采水平距离为50 m时,开切眼巷道能够满足工作面的正常回采。     

地铁线路穿越急倾斜煤层采空塌陷区相似模型试验

地铁线路穿越煤矿采空塌陷区问题为中国首例,因此进行急倾斜煤层开采岩移基本规律和地铁荷载作用下塌陷区及侧壁围岩稳定性研究具有重要意义。运用相似模型试验方法,模拟开采两组急倾斜特厚煤层,并用数码相机记录开采及加载过程中岩层破断及移动形态。试验反映了急倾斜煤层开采中垮落带形态、裂隙带形成与发展和地表移动特征等共性;此外,分别以顶底板移动角、边界角,表土层移动角、边界角参数计算煤层开采覆岩破坏边界范围,并以此划分不稳定区、基本稳定区和稳定区;考虑地铁及建筑荷载下,塌陷区破断岩体有闭合压实现象,地表最大下沉量为4~5 cm,顶板侧壁不稳定围岩最大离层量2 cm。所得结果对指导现场地铁线路穿越煤层采空塌陷区具有一定的参考意义。     

综放全厚开采20 m特厚中硬煤层数值模拟研究

针对酸刺沟煤矿6-1号煤层的具体条件,基于矿山压力对顶煤的压裂作用,运用数值模拟方法系统研究了综放全厚开采20 m特厚中硬煤层的合理工作面长度和工艺参数。主要结论有:工作面前支承压力峰值随工作面推进距离增大而变化;工作面前支承压力峰值随工作面长度的增加而增大;顶煤破坏系数随工作面推进距离和工作面长度的增加而变化。考虑矿山压力对顶煤的压裂作用,20m特厚中硬煤层综放工作面的长度应大于300 m;建议综放全厚开采20 m特厚中硬煤层的底层工作面应采用4.5 m的大采高;支架合力作用点位置和支架阻力对顶煤压裂和支护系统的稳定性起着十分重要的作用;给出了合理的开采工艺参数及其匹配。     

断层破碎带注浆加固稳定性综合测试

断层破碎带岩性复杂、节理发育,为维护破碎带影响范围内巷道围岩稳定性,降低突水风险,常对其进行超前注浆加固。以淮南潘二煤矿F1断层为例,提出采用钻孔光纤及电法测试技术,对巷道掘进过程中断层破碎带注浆加固稳定性进行动态监测和分析。根据巷道掘进速度,定期采集钻孔应变和电阻率数据,分析了应变及电阻率分布特征及演化规律,指出断层破碎带注浆加固后场源变化特征与正常岩层区段具有明显差异性,表明注浆加固将有效改善破碎区段岩层物性。根据光缆应变分布及电阻率分布特征,结合巷道围岩地质属性,认为断层破碎带注浆加固后稳定性得到有效提升,断层活化变形程度较小。     

煤柱尺寸留设数值模拟研究

护巷煤柱尺寸是影响回采巷道顶板围岩稳定性的一个重要因素。禾草沟煤矿开采过程中矿山压力比较明显,原设计预留大煤柱,造成较大煤炭损失。基于禾草煤矿煤层地质条件,采用数值模拟软件FLAC3D,建立了煤柱尺寸为6 m、8 m、10 m、12 m和14 m数值模型,模拟研究了煤柱及巷道塑性破坏区范围,沿空巷道应力分布,沿空巷道位移情况。综合考虑塑性区破坏范围、最大主应力、顶板位移值和资源回收等因素,该矿煤柱为10 m时符合经济安全开采要求。