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。     

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。     

下保护层开采对上覆巷道稳定性的影响

采用FLAC2D有限元数值模拟和现场实测的方法,对下保护层开采引起覆岩的卸压变形进行了研究和分析.结果表明:下保护层开采将使覆岩产生不同程度的卸压,产生大量的垂直和水平裂隙,而这些裂隙会对被保护层煤层巷道产生影响,根据巷道断面变形量的不同,从而确定下保护层开采卸压影响范围,对保护层煤层开采工作面合理布局具有一定的指导意义.     

采空区覆岩采动裂隙演化过程及其分形特征研究

为了研究采空区覆岩采动裂隙形成过程中的演化规律,基于煤岩细观破裂力学特性的数值模拟方法,结合非线性的分形几何理论,研究了覆岩采动裂隙演化过程并定量地描述了其时空分布特征,结果表明：采动下覆岩不断劣化,其内部细观损伤积累最终引起覆岩破坏.采动裂隙演化过程中的声发射具有自相似性的分形特征,加载后其分维值首先小幅度的升高,随后急剧下降,尤其是在破坏前降到最低,该特性可作为评价覆岩破坏的有效指标.上述结果能很好地解释覆岩采动裂隙的演化机制,并指导灾害发生前覆岩稳定性发展趋势的预测预报等防治实践.     

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。     

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。     

相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用

为开展采动覆岩破断与卸压瓦斯运移规律的三维物理相似模拟实验,在渗流系数能量控制模型的基础上,研制出相似材料渗流-能量特性真三轴实验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能及实验方法。结果表明,该系统可由液压加载系统控制对试件所施加的三轴应力,利用多元测试系统对试件压缩过程中油缸的推出力、试件压缩轴向变形量、压缩过程的气体流量及主裂隙导通时的能量耗散进行实时监测,通过对不同配比相似材料试件的真三轴加载实验,研究三轴压缩相似材料的渗流-能量特性为进一步开展采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移多物理场耦合规律奠定了实验基础。     

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。     

利用覆岩移动特性实现煤与瓦斯安全高效共采

为了实现高瓦斯煤层群条件下煤与瓦斯的安全高效共采,运用数值模拟和现场试验相结合的方法,对远距离下保护层开采的采动效应进行了分析与研究。结果表明;下保护层开采使覆岩产生不同程度的卸压。煤体产生膨胀变形,生成大量的次生裂隙。从而导致煤体的透气性增加。为远程卸压瓦斯的抽放创造了有利条件;同时,覆岩的水平应力分布也发生了改变,由原始的水平压应力变为拉应力,从而导致了水平位移的产生,在该位置形成丰富的竖向裂隙,为瓦斯的运移提供了通道。在高瓦斯煤层群条件下,可以通过合理的开采顺序和有效的瓦斯抽放方法。实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。     

远程覆岩卸压变形及其渗透性研究

运用数值模拟和现场试验相结合的方法，对下保护层开采所引起远程覆岩的卸压变形及其渗透性变化进行了分析与研究。结果表明：下保护层开采将使覆岩产生不同程度的卸压，卸压煤（岩）体产生膨胀变形，生成大量的次生裂隙；同时也导致了水平位移的产生，形成了丰富的竖向裂隙，从而使煤（岩）体的渗透性得到极大的提高。因此，在高瓦斯煤层群条件下，利用下保护层开采所引起的“卸压增透增流”效应，同时结合合理有效的瓦斯抽放方法，可以实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。     

重复采动覆岩裂隙网络演化分形特征

为研究重复采动下覆岩裂隙演化规律,以同煤集团煤峪口煤矿410盘区为地质原型,利用物理相似材料模拟实验模拟近距离煤层重复采动覆岩裂隙发育发展演化过程,运用分形几何理论研究重复采动条件下,覆岩裂隙网络分形特征.实验结果表明:随着开采宽度的增大,上层开采裂隙分形维数随之变大,其增幅随着宽度增加逐渐变小;而下层开采裂隙分形维数与开采宽度呈抛物线变化关系;开采采场覆岩裂隙上层煤分形维数与工作面前方支承压力峰值满足Freundlich方程,而与切眼附近支承压力峰值满足Langmuir方程,下层煤关系不明显;覆岩"三带"裂隙网络具有很好的自相似性,上层回采完裂隙带、冒落带分形维数比为1.0575:1;而下层煤为1.024:1.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.