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。     

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。     

不等长工作面覆岩破坏规律的数值模拟分析

针对不等长工作面煤层开采日渐增多的现状,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究,并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。结果表明:工作面自开切眼开始向前推移,推进到工作面"见方"期或斜长的整数倍位置时,顶板活动剧烈,覆岩空间结构发生新旧更替,形成了"O"型破断区;不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则,推进距离在衔接面前后20~30 m的范围内,应力波动较大,数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活动产生了重要影响,其大小约为水平应力的1.5~2倍;就采动过程中竖向位移的变化而言,巷帮移近量远大于顶底板变形量,故工程实践中应特别注意对巷帮及顶板的加固和维护。     

多煤层开采导水裂隙带发育与 覆岩破坏高度规律

为了进一步揭示多煤层开采过程中,采动裂隙带发育规律的影响因素与采空区水的变化特性,以公乌素煤矿为研究对象,分别研究了该矿区煤层的覆岩类型及其对覆岩破裂的影响,从理论和数值模拟的角度研究了多煤层开采对覆岩破坏高度的影响.研究结果表明:(1)煤层覆岩越坚硬,覆岩破裂带发育的高度较大,导水裂隙发育就越高,反之,则容易下沉,但不易产生开裂,最终表现为覆岩破坏高度降低;(2)煤层采动过程中,开采厚度、开采方法、工作面跨度、开采深度与导水裂隙带的高度变化呈正相关关系;(3)公乌素煤矿倾斜煤层回采的导水裂隙带的分布沿工作面的倾斜方向整体呈不对称“马鞍形”破坏特征,多煤层下行开采过程中,下部煤层开采可以有效地减小上覆岩层采动引起的应力集中现象,且采空区的卸压范围及高度也随之增加.相关研究成果可为同类型矿井安全开采提供参考依据.     

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。     

极近距离煤层重复采动矿压显现规律

为深入研究极近距离煤层重复采动矿压显现规律,以六家煤矿SⅡN26-7工作面为研究对象,采用数值模拟、相似材料模拟试验和现场监测的方法,对围岩应力、覆岩运动规律、工作面超前采动影响范围进行分析.研究结果表明:在上部6-6煤层开采的影响下,SⅡN26-7工作面超前支承压力峰值降低了7 MPa;顶板初次垮落步距和周期来压步距与开采6-6煤层相比减小了13.5 m和7.3 m,应力峰值距煤壁距离减小了4 m,应力集中系数降低了0.5;工作面超前采动影响范围为35 m;极近距离煤层重复采动,工作面超前支承压力、顶板来压步距均有降低,矿压显现强度有所减弱.     

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。     

采动岩体瓦斯渗流规律研究

为了实现瓦斯的高效抽放,解决煤与瓦斯的安全共采问题,采用相似模拟试验和岩石破裂分析系统(RFPA2D)数值计算方法,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。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12m,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。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。     

三面采空综放采场采动阶段动力灾害机理

三面采空综放采场采动阶段受到高应力作用容易引发冲击地压、顶板大面积来压等动力灾害,通过研究岩层运动与矿压关系,孤岛工作面掘进、回采过程中覆岩空间结构形式及其运动规律,揭示工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害机理.结合工程实践,基于微震定位监测结果验证三面采空综放采场采动阶段诱发动力灾害规律,揭示应力分布、变化,为治理矿压动力灾害提供理论基础和技术手段.     

开采保护层覆岩裂隙演化规律模拟

为提高瓦斯抽采率和揭示保护层采动覆岩裂隙演化规律以及定量分析保护层卸压增透范围,将覆岩裂隙定义为具有开裂损伤功能的粘结单元,利用ABAQUS开发了粘结单元本构关系,建立了采动覆岩砌体结构内聚力模型,进行了粘结单元表征下的保护层采动裂隙演化数值模拟,通过粘结单元损伤程度分析采动裂隙发育状态,根据裂纹的连通状态界定采场覆岩损伤破坏区域,并得到了采动卸压范围及渗透率分布规律,采动裂隙演化规律模拟结果与实验一致,验证了覆岩砌体结构内聚力模型的精准性.     

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。     

黄河北煤田薄煤层采场上覆岩层纵向分带发育规律

针对黄河北煤田赵官煤矿大水高瓦斯厚冲积层薄基岩复杂开采条件,本文通过理论分析、数值模拟方法对赵官煤矿综采工作面采场上覆岩层纵向分带发育规律和其结构形态进行了研究,得到了采场上覆岩层纵向运动破坏规律及其结构形态,即在采动应力作用下,采场上覆岩层开始呈现较平的"枕型"结构形态,随着采场支承压力不断增加,采动破坏岩层逐渐演化为"拱型"结构形态,当工作面推采距离达到工作面长度时,采场上覆破坏岩层在工作面纵向上扩展到最高处,此后随着工作面的不断推进,断裂拱高保持不变,而拱脚不断向前方扩展,呈现出"平顶拱型"结构形态;同时通过理论计算和现场实测对比分析,得到了采场上覆岩层冒落带、裂隙带分布范围,即冒落带高度为2.4m,裂隙带为19.1 m,裂采比为15.3,为矿井采场顶板控制、支架选型和瓦斯抽采参数确定提供了科学依据,对实现薄煤层综采安全高产高效的具有意义。     

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。     

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.     

硫磺沟矿(4-5)04工作面高位钻孔抽采瓦斯技术

为解决工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题,针对硫磺沟煤矿(4-5)04工作面实际情况,应用物理相似模拟实验的方法,研究了工作面采动覆岩"三带"分布特征及覆岩裂隙分布特征规律开展研究,结合工作面实际情况设计高位钻孔抽采上隅角瓦斯的方法,并对抽采效果开展实时观测与分析。结果表明:通过物理相似模拟实验,得到(4-5)04工作面覆岩"三带"高度,上覆岩石裂隙分布范围,工作面初次来压、周期来压步距,裂隙区在切眼、工作面及进回风巷出的宽度等参数来指导和确定现场高位钻孔的布置;通过现场实时观测,得到高位钻孔抽采浓度为19.85%~23%,有效抽采段距离平均为54.5 m,可以保证上隅角瓦斯瓦斯浓度维持在0.08%~0.45%,回风巷瓦斯浓度维持在0.15%~0.48%,(4-5)04工作面安全高效回采,表明高位钻孔抽采方法和设计参数是科学有效的。     

不同覆岩结构短壁开采上覆岩层运动的数值分析

不同覆岩性质及其组合对上覆岩层的破坏和运动有着关键性的影响,而回采工作面上覆岩层破坏和运动规律的研究是矿压控制的基础.运用RFPA2D对神东矿区不同覆岩结构的短壁式开采进行模拟,分析比较不同覆岩性质及其组合对上覆岩层运动和破坏的影响,再现受采动影响岩体的破坏和移动规律.     

坚硬特厚煤层综放工作面覆岩破坏运动规律

采用现场观测和数值模拟分析的方法,对陕西彬长大佛寺煤矿40301首采综放工作面覆岩移动、矿压显现特征进行了分析研究,总结了坚硬特厚综放工作面覆岩运动破坏规律。结果表明,工作面存在较明显的周期来压现象,并具有一定的瞬时冲击性载荷特征。首采综放工作面顶板初次来压步距65.6m,周期来压步距23.67m,来压时最大工作阻力7291kN/架。工作面支承压力峰值在煤壁前方10～15m处,峰值压力约为19～25MPa,支承压力影响范围可达工作面前方50～60m。     

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。     

深井孤岛工作面冲击地压预测与治理研究

采用微地震、覆岩空间结构理论和三维数值模拟相结合的方法,研究了深井"孤岛"工作面开采过程中上覆岩层空间结构运动的形式与围岩中应力场的动态变化规律;提出了"C"型覆岩空间结构演化参数的确定方法;得到了"孤岛"工作面在开采之前的垂直应力与水平应力场;得到了"孤岛"工作面回采过程中各个阶段的三维应力场;证明了"C"型覆岩空间结构在老顶初次来压、单工作面见方和双工作面见方时易受动压扰动发生冲击地压的规律,并以此为基础,对冲击地压危险性进行了预测,提出了治理的技术措施,成功地控制了南屯煤矿9303深井"孤岛"工作面的冲击地压,实现了安全开采。     

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。