地面瓦斯抽放钻孔采动覆岩裂隙演化数值模拟

为探明唐山矿T2291工作面采空区瓦斯富集的原因及瓦斯运移通道的来源,采用FLAC3D与UDEC离散元两种模拟方法,对比分析T2291采空区煤柱破裂及顶板离层发育过程和采动裂隙的叠加影响规律,查明了上覆岩层裂隙形成的过程,验证了走向采动下顶板"O"型圈裂隙分布特征.研究结果表明:邻近采空区下位裂隙贯通受隔离煤柱宽度影响较大,中硬顶板条件下裂隙在走向充分采动与倾向非充分采动下呈现"鞍形"分布特征,得出唐山矿T2291钻孔实现横向和纵向多采空区联合抽放的根本原因.     

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.     

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。     

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.     

综放工作面采空区瓦斯抽采对氧化升温带影响

为解决综放工作面回采期间瓦斯涌出量大、瓦斯抽采导致采空区漏风增加且易发生自然发火的问题,以红庙矿5-2S工作面自然发火和瓦斯抽采综合治理为例,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,运用流体计算软件COMSOL对不同抽采量、不同抽采口位置时对氧化升温带影响规律进行研究.研究结果表明:采空区自燃"三带"数值模拟变化规律与现场监测数据相吻合;采空区瓦斯抽采量和抽采口所在位置与采空区自然发火危险性成正相关;5-2S工作面推进速度从3 m/d增加到3.2 m/d,瓦斯极限抽采量由31.71 m~3/h增加到120 m~3/h;距工作面切顶线10~20 m是采空区工作面最佳抽采位置.     

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.     

艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作,实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型,通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素,抽采难度大。随着抽采时间增加,钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致,但随抽采时间增加,裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力,二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果,应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质,以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度,促进基质瓦斯解吸扩散,5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

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。     

边掘边抽在掘进工作面的应用试验和效果分析

在高瓦斯矿井中,煤巷综掘工作面受采动影响,煤层中的瓦斯比较集中的释放到掘进工作面巷道内,造成回风瓦斯超限,采用两帮迈步式钻场实施边掘边抽,将钻孔布置在巷道两帮煤体裂隙带与实体煤层的交界面内,进行瓦斯抽采,既能够对前方煤层内的瓦斯进行预抽采,同时在巷道掘进过后,形成负压条带,实施＂区域隔离＂,拦截由煤体向巷道涌出的瓦斯,从而控制掘进过程中回风流的瓦斯含量,保证了安全快速掘进,取得了较好的成功经验。     

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。     

新型无机缓凝封孔浆液注浆扩散形态研究

为解决已有瓦斯钻孔封堵技术中固态封堵材料无法封堵次生裂隙、导致瓦斯抽采后期抽采效果急剧下降的难题,提出了一种操作简单、成本低廉、提高钻孔密封效果的瓦斯抽采钻孔密封方法,即通过注浆泵带压注浆的方法将新型无机缓凝封孔材料注入2段膨胀封堵材料形成的密闭空间内对煤岩裂隙进行封堵。文中采用FLUENT数值模拟软件首先研究了煤矿井下工作面顺层钻孔封孔段在不同注浆压力和水灰比条件下的浆液扩散形态和钻孔封孔段周围浆液压力变化情况,然后对不同注浆时刻各种注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况进行了分析,得到了注浆时间与浆液有效扩散距离的关系,为现场注浆工艺参数的确定提供指导。最后在河南能源城郊煤矿进行了现场应用,在为期2个月瓦斯抽采的观测期内,使用新型无机缓凝封孔材料进行封孔作业的抽采钻孔瓦斯浓度始终大于30%,瓦斯抽采纯量变化很小,始终维持在0.12 m~3/min之上,瓦斯抽采效果提升明显。新的封孔材料为瓦斯封孔提供了新思路,对提高钻孔抽采效率、提高资源利用率、杜绝瓦斯事故具有一定的意义。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA2D-Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律.研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯.现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性.     

抽采钻孔损伤机理分析及高效封孔材料研制

为明晰钻孔破裂区漏气的本质原因,考虑煤岩的非均质性及瓦斯渗流作用,采用理论分析和数值计算方法,构建煤层钻孔围岩损伤数学模型,探讨煤层瓦斯抽采钻孔的损伤破裂机理.研究结果表明:提出的数学模型可较好地描述煤岩的损伤破裂;由于煤岩的非均质性,钻孔周边的损伤区域并非均匀分布,渗透率损伤区域呈现类似裂隙发育的形态;孔内支护压力可提高钻孔稳定性,减少钻孔围岩损伤区域,渗透率的损伤情况显著得到抑制.研制一种膨胀型高效封孔材料,与传统水泥材料相比该材料可产生显著的膨胀力.工业试验表明:采用该封孔材料可使得瓦斯抽采浓度提高约10%.研究结论显著改善了瓦斯抽采效果.     

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。     

各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

下沟矿瓦斯抽采系统仿真模拟及优化分析

针对煤矿瓦斯抽采系统现场中经常遇到的钻孔抽采负压低、抽采流量小、管路漏气等问题,应用图论理论和流体力学理论,结合下沟矿实例建立瓦斯抽采解算数学物理模型,使用Cross算法数值模拟出瓦斯抽采参数.通过瓦斯抽放工现场实测参数与模拟参数对照,推断现场瓦斯抽采系统问题源位置,为进一步的抽采系统优化提供依据.研究结果表明:钻场平均抽采量0.059 4 m~3/s,上隅角平均抽采量0.215 8 m~3/s,26~#~30~#钻场阻力较大,实测与模拟结果基本吻合,仿真结果可靠.     

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.     

伟峰煤矿6~#煤层瓦斯抽采技术研究

依据矿井在达产时瓦斯最大涌出量的预测,伟峰煤矿开采6#煤层时属于高瓦斯矿井。为了有效防范瓦斯事故并合理利用瓦斯资源,文章通过采用对本煤层预抽及边采边抽、邻近层高位钻孔抽采裂隙带、现采空区插管抽采和老采空区全密闭抽采的方法,从而达到煤与瓦斯安全高效共采的目的。     

高位钻孔瓦斯抽采参数测评与优化研究

瓦斯抽采是从根本上治理煤矿瓦斯灾害的主要手段,由于其高效和安全的特性,高位钻场瓦斯抽采模式在现场应用日益广泛,但对于抽采参数的测评和优化却没有统一标准。本文分析了采煤工作面围岩裂隙场的分布特性与瓦斯抽采设计参数的相互关系,以现场高位钻孔瓦斯抽采实测数据为基础,采用四种方法对设计参数和抽采效果进行关联性分析,结果表明钻孔垂距、钻孔平距和钻场间距是影响瓦斯抽采效果的主要参数,在其优化区间内,瓦斯抽采效果会大幅度提高。论文研究结果对优化瓦斯抽采设计、保障采煤工作面安全生产具有一定参考意义。