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。     

基于RFPA~(2D)的煤层顶板覆岩采动破坏数值模拟

本文在分析工作面揭露的开采地质条件和岩石力学性能等参数的基础上,运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)模拟分析了工作面煤层顶板覆岩层采动破坏特征。结果表明采动引起工作面顶板覆岩离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程。区域内直接顶初始垮落步距约10m,基本顶的初次来压步距为60～65m,采动冒裂高度为57m。模拟结果为工作面顶板管理及上隅角瓦斯抽采提供了科学依据。     

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。     

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。     

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。     

地面压裂坚硬顶板对矿山压力显现影响的实验研究

地面压裂是控制煤矿坚硬顶板减少矿山压力灾害的一种新方法。但该方法的有效性以及地面压裂形成的水压裂缝的产状对矿山压力显现的影响尚待进一步研究论证。通过物理相似模拟实验，在模型中坚硬顶板内分别不预制裂缝、预制水平裂缝和预制垂向裂缝并模拟煤层开采，研究了采动过程中顶板的周期垮落、坚硬顶板的破断和工作面的矿压响应。研究表明，随煤层开采覆岩呈 “ ”型垮落规律，即先垮落采空区上方A区域，然后沿工作面推进方向垮落与A临近的B区域，再垮落A、B上方的C区域，间隔一定周期B、C区域同时垮落；受水平裂缝影响，顶板周期垮落步距平均缩短23.08%；受垂向裂缝影响平均缩短19.23%；含水平裂缝和垂向裂缝的坚硬顶板均提前破断，平均破断步距缩短10.23%；工作面推进至裂缝影响区时，覆岩作用在开切眼煤壁附近的矿山压力和工作面超前支承压力降低，表明压裂坚硬顶板可降低工作面矿压。研究成果对于揭示覆岩垮落规律、地面压裂控制矿压显现规律和矿山压力灾害防治具有重要意义。     

马兰矿深埋中厚煤层覆岩移动变形规律相似模拟研究

为了研究深埋中厚煤层在开采过程中的覆岩移动变形规律,预测顶板裂隙发育高度,以马兰矿地质资料为背景,利用室内相似模拟试验法,观测10702工作面采动覆岩破坏规律,应用计算机数值模拟软件对相似模拟中导水裂隙带发育高度加以验证。研究表明:由相似模拟试验可知,10702工作面的初次来压步距约为40 m,周期来压步距约为15 m;顶板垮落带发育高度为17.6 m,导水裂隙带发育高度为44.3 m。由计算机数值模拟可知,导水裂隙带发育高度约为45.5 m,与相似模拟试验结果基本吻合。裂隙发育位置的确定,不仅为综采放顶煤的生产安全提供理论依据,同时也为顶板冒落事故及透水事故的防治提供理论支持。     

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.     

高位钻孔瓦斯抽采参数优化设计

基于采空区覆岩裂隙分布规律、覆岩裂隙瓦斯流动规律和高位钻孔抽采技术研究现状,从覆岩"竖三带"、"O"形圈和U型通风条件下采动裂隙瓦斯流动规律出发,找出高位钻孔的理论合理布置区域,指出工作面后方50m范围内覆岩裂隙发育状况是高位钻孔层位设计的关键,针对祁南煤矿32煤层的特点,结合现场采用数值模拟方法模拟不同开采速度条件下覆岩裂隙发育规律,优化设计高位钻孔的抽采参数,在34下2工作面和3410工作面的现场试验中,高位钻孔抽采浓度和抽采率得到大大提高,取得了较好的抽采效果,验证了研究的正确性。     

成庄煤矿4311综放工作面矿压显现规律及覆岩垮落特征

掌握综放工作面来压和覆岩运移规律对综放工作面安全高效开采具有重要意义。以成庄煤矿4311综放工作面为工程背景,通过物理模拟对工作面覆岩垮落特征、矿压显现规律、支架载荷分布规律和覆岩"三带"发育特征进行了研究。结果表明:4311工作面初次来压步距58.5 m,周期来压步距11.5～27 m,平均18 m。工作面覆岩垮落呈现明显的"三带"分布规律,垮落带高度最大48 m,裂隙带高度最大169 m,煤层顶板169 m以上为弯曲下沉带。工作面推进222 m后达到充分采动,最大裂采比26.20,工作面顶板来压时,支架载荷一般大于3 500 kN/架,最大为4 115 kN/架,给出了合理的支架选型工作阻力为4 372～4 938 kN,4311综放工作面开采过程中没有出现压架现象。     

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。     

基于相似模拟实验的采动裂隙场演化规律研究

针对目前综放开采条件下对顶板岩移破坏时空演化规律研究不足的问题,采用相似模拟实验的方法对综放开采条件下覆岩移动和破坏机制以及采动裂隙分布规律和形态特征进行研究,结果表明:随工作面推进裂隙带逐渐地往上演化发展,而且当关键性岩层垮落断裂时,这种裂隙演化更为迅速;当工作面回采至240m时,离层裂隙趋于闭合,采动影响达到模型的顶部,裂隙带高度不再随着工作面推进距离的变化而改变。     

覆沙层下大采高工作面覆岩运移规律

大采高开采的方法是提高煤炭资源回收、实现矿井高产高效的重要发展方向,但也造成工作面覆岩破坏严重。为此,文中以宁东煤田赋存的覆沙层下特厚煤层为背景开展大采全高工作面覆岩运移研究,运用相似模拟的方法并综合多种监测仪器从模拟现象、力源两个角度对大采高工作面覆岩运移、下沉乃至垮落的特征进行了全程监测与分析。研究表明:大采高工作面覆岩垮落初次来压步距较大,支架带压移架后极易发生直接顶乃至老顶的突然垮落,工作面来压强烈、伴随有明显的支架动载现象;延伸至地表的裂隙有诱发地表覆沙层弯曲、有溃入工作面的可能;模型开采结束后形成了6条贯穿至地表且与工作面推进方向成60°的垮落裂缝;模型内部各岩层下沉范围随着工作面的推进而不断扩大,呈U字型下沉趋势。     

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。     

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。     

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.     

厚煤层重复采动覆岩破裂发育规律研究

以鲁西矿3煤重复采动为研究背景,采用现场实测和数值模拟的方法对厚煤层重复采动条件下的覆岩破裂规律进行了研究。结果表明,覆岩裂隙带发育高度随着采空区形成时间的增加而降低;上分层开采后裂隙带发育高度为34.73 m,裂高采厚比为15.1,与上分层相比,下分层开采导致的裂隙带发育高度增加为41.51 m,但趋势变弱,裂高采厚比仅为13.84;数值模拟最终裂隙带发育高度为39.4 m,与实测结果吻合较好。研究结果对于类似厚煤层重复采动条件下的覆岩破裂规律预测和合理提高安全开采上限具有重要指导意义。     

采动覆岩破坏演化特征模型实验与分析

采动覆岩破坏演化特征研究对煤炭安全开采具有重要指导意义。以新疆哈密大南湖一矿1303工作面为研究对象,根据开采技术条件,构建采动覆岩破坏演化特征实验模型;分析覆岩运移特征与声发射监测信息,揭示了采动覆岩单次破裂及来压过程中多次破裂的能量耗散与演化特征,其历程分别为"释放-积聚-释放"与"裂隙扩展-破裂-垮落"。借助钻孔电视判定覆岩破坏演化高度,结果表明:工作面开挖后,覆岩破坏高度随模型开采持续增加,但受下方煤岩体碎胀效应影响,覆岩破坏高度增幅随来压次数增加而逐渐降低。工作面推进至246.4 m时,破裂岩块间形成稳定的挤压平衡结构,工作面达到充分采动状态,采动覆岩破坏高度峰值为96.0 m.相关研究成果为指导工程实践提供了定量依据。     

浅埋煤层弱胶结顶板破断规律数值模拟研究

结合高家梁煤矿工作面开采条件及岩石力学性能,利用UDEC数值模拟软件,对自开切眼至充分采动全过程覆岩随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟,得到浅埋煤层不同开采阶段上覆弱胶结顶板的破断及运动规律。研究表明:浅埋弱胶结顶板在初次来压期间经历直接顶垮落、形成"类基本顶"、基本顶断裂三个阶段。