岩层破坏与移动对地面瓦斯抽放的影响分析

为了研究多煤层联合开采下多采空区相互影响条件下的瓦斯抽放规律,采用理论分析和FLAC3D数值模拟相结合的方法,分析了唐山矿5、9煤层覆岩采动后冒落裂隙发育状况及T2291工作面相邻采空区煤柱裂隙发展及分布特征,揭示了T2291工作面采空区横向方向上贯通了与之相邻的多个采空区和纵向上贯穿了多个煤层现象.研究结果表明,布置在该工作的地面钻孔可同时进行多个采空区和多煤层的瓦斯抽放,提高了钻孔的服务年限及抽放效率.研究结论有助于指导唐山矿在类似区域瓦斯抽放钻孔的布置.     

区域采动裂隙实测与演化模拟

为揭示唐山矿T2291面周边区域采动裂隙的演化规律,采用现场实测与离散元模拟方法,观测分析中硬顶板中离层成组渐次发展并集中形成的现象.根据拉、剪裂隙的形成机制,提出UDEC后处理的"两带"划分标准.研究结果表明:竖向贯通的BOUNDARY线表征冒落带、OPEN线表征裂隙带,可与实测高度相互印证;T2291周边10~30 m的隔离煤柱不能阻断周边采空区的瓦斯汇入,区域三维鞍形裂隙区的客观存在,是单孔巨量瓦斯抽放得以实现的重要机制,为中硬煤系地层中大间距布孔抽采瓦斯提供了成功范例.     

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。     

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向"上大下小"的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部下部上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的"W"型分布变为下区段开采时的"V"型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。     

低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采关键技术

为研究低瓦斯高强度开采综放工作面采动覆岩裂隙演化过程中瓦斯的运移规律,提高矿井瓦斯治理能力,以王家岭矿12302工作面为例,研究了煤层开采后上覆岩层的垮落和位移特征,通过分形维数定量描述了裂隙的发育情况,得到了覆岩的三带高度、跨落角、裂隙区等参数,以此参数建立数值模型研究采动裂隙与瓦斯运移的耦合特性,将研究结果应用于现场的卸压瓦斯的抽采设计并进行了效果检验。结果表明:走向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为118.6 m,切眼处和停采线处的垮落角分别为59.5°和51.5°,倾向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为113.6 m,进刀端和停采线处的垮落角分别为62.5°和55.5°;随着工作面开采距离的增加,分形维数先增大后减小最后趋于平稳;采场卸压瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性,采空区深部瓦斯浓度可达20%,上隅角瓦斯浓度接近1.5%,采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;采用高位定向长钻孔抽采采动裂隙带聚集瓦斯的抽采效果较好,上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,保证了矿井的安全生产,为类似条件下的瓦斯治理提供参考。     

动力扰动作用下采空区公路稳定性

为研究动力扰动作用下采空区公路的稳定性,以辽宁凤城某采空区公路为研究对象,基于弹性板理论,建立了交通载荷和自重应力共同作用下的采空区顶板—煤柱突变力学模型,根据此模型分析了交通载荷对采空区公路安全稳定性的影响,并采用FLAC3D软件对地震和采动耦合作用下的采空区路基稳定性进行了数值模拟.研究结果表明:建立的力学模型能够准确地描述交通载荷和自重应力作用下的采空区顶板—煤柱的变形特征,在单一交通载荷作用下该采空区顶板未出现大面积冒落和采空区公路塌陷;在地震和采动耦合作用下,该公路出现了较大的下沉和水平移动,顶板失稳,采空区受到地震载荷作用下出现了"活化",诱发上覆岩层的移动和变形;公路将出现塌陷坑和拉伸裂缝,道路中心线出现了偏移,对道路安全影响较大.     

基于钻孔电阻率法动态监测的煤层覆岩瓦斯抽采层位确定——以李雅庄煤矿为例

高位水平钻孔瓦斯抽采技术是解决矿井瓦斯危害问题十分有效的工程技术手段.瓦斯抽采水平钻孔施工层位需要布置在覆岩采动裂隙带发育范围内,而复合顶板的采动裂隙带发育范围往往难以确定,导致钻孔施工层位不准确严重影响瓦斯抽采效率.为研究覆岩采动裂隙发育范围,精准确定水平钻孔布置层位,依据煤层开采覆岩变形破坏一般特征,采用钻孔电阻率法对李雅庄煤矿2607工作面开采覆岩裂隙发育特征进行动态监测,分析了不同采动时段的视电阻率响应特征和变化规律,得到覆岩裂隙发育分布的主要层位.研究表明:裂隙带主要发育范围位于煤层顶板26～47.5 m高度内的砂岩层,确定为瓦斯抽采的最佳层位,现场瓦斯抽采试验验证了该层位的准确性.钻孔电阻率法在覆岩裂隙动态监测方面具有较高的精度,为提高瓦斯抽采效率和降低瓦斯抽采成本提供了较重要的技术保障.     

采动裂隙椭抛带内瓦斯运移理论基础

研究采动裂隙椭抛带的基本性质及其采空区瓦斯运移的规律,可以采取有效措施进行瓦斯治理。根据五阳煤矿7601综采工作面上覆岩层的特性与工作面在推进过程中的矿压显现特征,确定了采动裂隙带的高度、切眼上方椭抛带的高度、采动裂隙椭抛带内煤与岩碎胀系数,并计算出其渗透率。该研究为建立数值模拟的分析模型提供依据。     

大采高综采覆岩裂隙演化特征三维实验研究

上覆岩层裂隙区域是瓦斯运移储集通道,为准确得到大采高综采条件下裂隙演化特征,以山西天池煤矿202工作面为原型搭建了三维物理相似模拟模型,采用声发射监测系统、三维模型剖切等方法得到覆岩裂隙发育过程及裂隙分布特征。结果表明,202工作面基本顶初次垮落步距为36 m,周期来压步距为16～27 m,周期来压平均步距18 m;采用物理模型剖切的方式得到采动覆岩裂隙高度及三维分布形态,垮落带高度15 m,是采高2.9倍,裂隙带高度64 m,是采高12.5倍;覆岩垮落裂隙三维形态为"椭抛体"。在煤层倾向及走向上,覆岩整体下沉趋势为"凹"型,距离煤层底板10 m处上覆岩层下沉量最大为3.5 m,越往上下沉量越小,岩层下沉呈梯形分布;在走向及倾向方向裂隙密度均呈现"双驼峰"状,倾向裂隙区位于工作面0～30 m与90～120 m范围内,走向裂隙区位于切眼侧0～30 m与停采线侧160～200 m范围内,裂隙区裂隙密度达5条/m,中部压实区裂隙密度在1～2条/m之间,回风巷侧裂隙区为高位巷布置最佳区域,能够有效提高瓦斯抽采效率,对工作面及采空区瓦斯治理具有重要意义。     

采场覆岩裂隙特征研究及在瓦斯抽放中应用

为了在采空区顶板实施瓦斯抽放枝术获得较高的瓦斯抽放效果,采用模拟试验和工业性试验的方法,研究采场上覆岩层中裂隙特征,寻找采场上覆岩层中裂隙位置和顶板瓦斯富集区。现场试验表明,把抽放钻孔布置在采空区顶板裂隙区内进行瓦斯抽放,对流向回采工作面上隅角的瓦斯起到了截流作用,基本上解决了高瓦斯煤层回采工作面上隅区瓦斯斯浓度超限问题。     

房柱采空区下应力分布特征研究

为研究房柱采空区煤房煤柱交替分布对下位近距离煤层顶板应力分布影响规律,采用数值模拟方法对大地精矿房柱采空区下应力分布特征进行研究,研究表明:房柱采空区底板岩层中应力从无煤柱区到房柱采空区下方区域应力分布依次为端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区;根据采空区煤柱影响稳定区下底板应力波动范围确定了模拟地层采空区煤柱集中应力工程影响深度,影响深度范围外煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响较小,范围内煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响剧烈。研究结果对于类似条件的煤层开采及时采取有效顶板控制措施具有实际意义。     

低透气性煤层群无煤柱煤气共采理论与实践

在淮南矿区复杂地质条件低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯多年创新和实践的基础上,提出了首采卸压层无煤柱沿空留巷Y型通风煤气共采新思路;通过对采空区边缘岩体结构变形破坏和裂隙演化规律的分析,揭示了采动影响区内顶底板岩层裂隙的动态演化规律、Y型通风方式下采空区的空气压力场分布及卸压瓦斯的流动规律,通过分析沿空留巷围岩大小结构的变化规律,提出了基于锚杆支护的“三位一体”留巷围岩控制技术;研发成功新型CHCT充填材料、强支撑自移模板液压充填支架、干混料集装箱以及充填泵上料系统,建立机械化快速构筑充填墙体工艺系统,发展和创新了低透气性煤层群无煤柱煤气共采的理论及关键技术。     

高位顺层钻孔瓦斯抽放数值模拟

针对八连城煤矿19号煤层62.1%~71.6%的瓦斯来源于采空区的问题,提出高位顺层钻孔抽放采空区瓦斯的治理方案.基于关键层理论和"O"形圈理论,分析了采空区上覆岩层裂隙形态,对瓦斯在其中的运移规律进行了研究,认为在上覆岩层采动裂隙中瓦斯流动符合达西定律.利用商业软件COMSOL-Multiphysics对瓦斯抽放进行了数值模拟,直观展示了瓦斯抽采时的瓦斯分布状态.模拟结果表明瓦斯抽放有效降低了瓦斯压力,给现场瓦斯抽放提供了理论依据,具有重要的实践意义.     

高位钻孔瓦斯抽放参数的确定

为防治煤矿瓦斯灾害和有效开采瓦斯资源,基于高位钻孔瓦斯抽放理论,在分析采空区顶板覆岩空间垮落规律及采动裂隙"0"形圈理论基础上,给出了钻孔有效高度范围的理论计算方法及钻孔沿倾向的布置范围,得出了钻场间距应小于实际施工的钻孔长度与钻孔重叠区之差的结论.在现场应用中取得了良好的技术与经济效果.     

红菱煤矿保护层开采裂隙演化规律的相似模拟实验

基于相似模拟实验的方法和数字散斑的测试原理,以沈煤集团红菱煤矿保护层开采为工程实例,模拟了在开采11#煤层后,对存在煤与瓦斯突出的7#煤层和12#煤层的卸压效果,从而对保护层开采后的采动裂隙分布规律进行研究.结果表明:采动对保护层上方岩体的影响程度比对下方岩体的影响程度大;最大位移量基本上是位于采空区的中部,该位置的裂隙最发育,采动裂隙密度最大,煤岩体渗透率最大;保护层上方采动影响区域垂向上距采空区60 m左右,而下方采动影响区域垂向上距采空区40 m左右.     

“Π”型钢放顶煤抽采瓦斯与自然发火综合防治技术

新集一矿211300"Π"型钢放顶煤工作面回采过程中,因采空区瓦斯涌出,造成工作面瓦斯超限,通过布置本煤层钻场施工走向高位钻孔,进行采空区瓦斯抽采,消除了瓦斯隐患。而瓦斯抽采,使采空区自然发火隐患大增,通过自然发火防治措施的采取、调整工作面采空区瓦斯抽采量,有效消除了瓦斯及自然发火隐患,从而保证了矿井安全生产。     

采动岩体瓦斯渗流规律

为了实现瓦斯的高效抽放,解决煤与瓦斯的安全共采问题,基于煤岩介质力学性质及变形破裂过程的渗透特性,采用相似模拟试验和岩石破裂分析系统(RFPA2D)数值计算方法,模拟研究受采动影响的上覆岩层裂隙发育规律和瓦斯渗流规律。研究结果表明,随着开采工作面推进,顶板出现周期性垮落,老顶垮落步距约为12 m,其顶板破断角度约为50°,工作面和切眼上方裂隙发育基本对称,覆岩下沉曲线整体呈左右对称碗状;在卸压带内,煤体膨胀变形生成的大量次生裂隙,增加了煤体的渗透性,覆岩横向离层裂隙和竖向破断裂隙的动态发育变化,为实现煤与瓦斯的共采创造条件。工业性试验验证了受采动影响下推进距离和工作面瓦斯抽放量间呈非线性关系,为进一步理解采动影响下煤与瓦斯共采提供了理论基础和科学依据。     

覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验

煤层开采后,覆岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。通过沿工作面走向及倾向相似材料模拟实验,得到覆岩采动破断裂隙的产生、发展为三阶段演化规律,形态呈"M"状。离层裂隙呈两大阶段、两个层位、三个区间的演化特征,即在主关键层触矸前,分布形态在垮落的最上位亚关键层上部,呈倒"V"状,下部呈"M"状;当主关键层触矸后,主关键层下部离层分布形态呈"M"状,上部少有离层发育。基于此,得到了覆岩采动裂隙演化形态与特征,提出了"采动裂隙圆角矩形梯台带"工程简化模型,为确定卸压瓦斯抽采钻孔参数提供了一定理论依据。     

无煤柱切顶沿空留巷矿压显现规律

为了掌握无煤柱切顶留巷的矿压显现规律并检验巷道支护效果,以澄合矿区董东煤矿50107工作面为研究对象,采用现场监测的手段对无煤柱切顶沿空留巷受采动影响条件下的顶板下沉规律、帮部变形规律及单体支柱受力变化规律进行了实测,并同时对切顶效果、挡矸效果及巷道稳定性进行了分析与评价。结果表明,巷道矿压随工作面的临近而逐渐增大,采动过程中靠近采空区侧的巷道矿压显现程度更为剧烈,表现出明显的非对称性特征,巷道顶板的回转运动是造成巷道非对称矿压显现的主要原因。此外,无煤柱切顶沿空留巷阶段性变化特征明显,初始变化阶段位于工作面后方0～35 m;快速变形阶段位于工作面后方35～75 m;缓慢变形阶段位于工作面后75 m以外,巷道变形及支柱受力均达到稳定状态。巷道矿压显现的主要过程集中在快速变形阶段,需加强对巷道围岩的控制。实践表明,无煤柱切顶沿空留巷采用锚网配合单体支柱的支护方式可行。     

走向高抽巷合理层位的FLUENT数值模拟

为获取走向高抽巷抽采瓦斯的最佳位置,构建走向高抽巷条件下的采空区瓦斯运移模型.通过FLUENT数值模拟软件分析了高抽巷与回风巷不同平距,与煤层顶板不同垂距条件下,抽采瓦斯的效果.数值模拟和现场应用结果表明:高抽巷布置在回风巷附近,与倾向断裂线边界0.46倍带宽(回风巷侧裂隙带);且位于冒落带之上,与其边界垂高2.8倍采高时,效果最好,能有效解决工作面瓦斯超限问题,保证工作面安全回采.