急倾斜下保护层倾向保护范围数值模拟及验证

基于保护层项底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,利用有限元软件ANSYS生死单元模拟下保护层开采,观察开采后的被保护层应变、应力场的变化情况,根据保护准则确定倾向保护范围.结果表明,下保护层开采急倾斜煤层沿倾向下部边界的卸压角为88°.同时,在实验现场通过布置压力孔,观测压力变化情况来分析确定保护范围沿倾向下部边界的卸压角为86°.对比分析数值模拟和现场实验的结果,在现场施工不确定因素影响下,最后确定下保护层开采急倾斜煤层沿倾向下部边界的卸压角为86°.     

近距离下保护层开采卸压效果及可行性分析

针对深部矿井煤与瓦斯突出严重现象,以平煤十矿己15.16-24130工作面为研究对象,采用数值模拟与相似材料模拟相结合的方法,分析了深埋藏近距离煤层群下保护层开采条件下,被保护层应力分布规律和膨胀变形量,对卸压保护范围及保护层开采可行性进行研究.数值模拟结果表明:卸压保护范围走向为10~692 m,倾向为4~150 m,走向卸压角为63°~68°,倾向卸压角为72°~78°,最大膨胀变形率可达1.13%.相似材料模拟显示最大膨胀变形率为1.91%,与数值模拟结果基本一致,卸压效果显著,下保护层开采可行.     

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.     

基于初采瓦斯涌出确定上保护层走向卸压角

本文针对保护层开采卸压范围现场考察困难的现状,提出了基于初采瓦斯涌出规律确定上保护层走向卸压角。并结合青东煤矿上保护层开采实践,通过数值模拟分析了工作面初采过程中底板卸压规律;理论计算及现场统计分析了初采期间瓦斯涌出规律,并根据初采瓦斯涌出数据确定了被保护煤层初始卸压时上保护层工作面的推进位置,以此计算了上保护层走向卸压角。通过现场合理布点,测试了上保护层工作面回采过程中被保护煤层瓦斯压力动态变化规律,同时测试了走向卸压边界区域瓦斯压力及含量的分布规律,根据实测结果确定了走向卸压角。对比分析可知,基于初采瓦斯涌出确定的上保护层走向卸压角与现场实测结果相吻合,验证了该方法的准确性。     

保护层开采中关键层的确定

为正确评价远距离下保护层开采对被保护层的卸压增透效果，指导被保护层瓦斯抽采，防止煤与瓦斯突出，采用理论分析与数值计算相结合的方法，确定了太原组11#煤层（保护层）的覆岩主关键层和亚关键层，其中，主关键层位于太原组中段，即砂泥岩段，主关键层的存在降低了保护层11#煤层开采后对被保护层21#煤层的卸压增透效果。该研究对保护层开采效果评价具有一定意义。     

保护层保护效果分析与瓦斯抽采技术

针对长平矿3#煤层是高瓦斯、低透气性的较难抽采煤层问题.基于3#煤层条件、地质条件及瓦斯条件应用保护层开采理论,确定了3#煤层通过下保护层开采治理瓦斯灾害.通过数值模拟等方法分析了保护层开采对3#煤层的保护效果与煤层透气性变化.根据3#煤层与保护层开采的工程条件提出了3#煤层卸压瓦斯抽采方案,为长平矿3#煤层瓦斯治理提供技术支持.     

不同间距上保护层开采卸压效应UDEC数值模拟

为了对比研究不同间距上保护层开采时对被保护煤层的保护效果,利用UDEC软件对不同间距上保护层开采卸压效应进行了数值模拟,得到不同间距保护层开采时,被保护层在开采过程中的垂直应力和位移变化规律,结果表明:上保护层开采后,采空区下部的被保护层垂直应力随间距的减小而减小,垂直位移随间距的减小而升高.并且模拟得出开采后不同间距被保护层的卸压率、卸压角和变形膨胀率,为预防煤与瓦斯突出,优化卸压瓦斯抽采系统,提高卸压瓦斯抽采质量浓度、抽采量以及抽采率提供了一定理论依据.     

近水平远距离下保护层开采卸压范围

为了确定晋城矿区保护层开采的卸压保护范围,采用相似模拟、现场实测的方法,研究了保护层开采过程中被保护层的竖向变形规律,得出了保护层开采的有效卸压范围,为相似条件下保护层开采及被保护层巷道布置提供依据。研究表明:保护层开采后,被保护层煤体出现明显的竖向变形,沿工作面推进方向上依次分为压缩区、膨胀区、卸压膨胀区、膨胀区、压缩区;沿煤层上山方向的有效卸压保护角为81.6°,下山方向的有效卸压保护角为79°,走向有效卸压保护角为67.7°;在工作面后方37 m以远,3#煤体膨胀逐渐趋于稳定膨胀值为93 mm,膨胀率为1.55%,煤体卸压充分。     

远距离下保护层开采保护范围扩界研究

基于张集煤矿1311(1)工作面远距离下保护层开采,利用数值模拟试验对比相似材料模拟试验,分析得出被保护层在保护层法向投影至理论卸压角范围内为扩界区,理论卸压角范围内为充分卸压区。为直观、准确地考察扩界保护范围,在被保护层施工煤巷,分别考察了扩界区域煤层膨胀变形率、巷高变形率、瓦斯自然排放量和透气性系数。研究结果表明张集煤矿11-2煤层的卸压角可由锐角扩大为90°,实现了被保护层工作面等长等宽布置。     

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。     

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

振动环境下双级溢流阀的建模与分析

为研究溢流阀在液压能源启动过程、整机振动环境下保持必要的服役性能,建立了振动环境下双级溢流阀的数学模型及特性的分析方法. 研究结果表明:溢流阀先导阀作成平衡活塞防振尾端结构形式可以实现减振、消声、稳压的功能;双级溢流阀分为先导阀开启前、主阀开启前和稳定工作3个阶段;整机振动对双级溢流阀压力控制性能的影响大;结构参数决定了溢流阀的延迟时间和动态特性.      

近距离煤层群水射流割缝卸压石门快速揭煤技术分析

针对西南地区高瓦斯近距离突出煤层群层间距小于7 m时,石门揭煤工作面前方多层煤层需统一消突管理,常规超前钻孔工程量大,严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题,提出采用穿层钻孔水射流割缝防突技术,一次性对石门工作面前方煤层群统一卸压增透,快速安全揭煤的思路。以贵州雷公山煤矿为例,采用FLAC3D模拟了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群卸压效果的影响。研究表明：多煤层煤孔中部均布置一个缝槽,同一煤层内缝槽间距为4 m,可使石门揭煤工作面前方控制范围内煤体整体卸压。现场应用证明：采用水射流割缝技术,预抽达标时间缩短约39 d,钻孔工程量减少610 m,钻孔数量减少30个,可实现快速安全揭煤。     

水力冲孔卸压增透物理模拟试验及效果评价

水力冲孔技术是应用最广泛的卸压增透措施之一,在松软低透气性煤层取得较好效果。利用自主研发的水力冲孔试验装置开展了水力冲孔试验研究,同时在水力冲孔前后分别进行一次瓦斯抽采试验,基于瓦斯抽采情况评价水力冲孔增透效果。研究结果表明:同一位置的气体压力在水力冲孔后下降更快,靠近冲孔位置的区域受影响较大,而远处区域受影响较小,且增透效果在抽采一段时间后才会显现;为了定量评价水力冲孔的增透效果,基于瓦斯压力定义并推导了等效抽采半径和有效抽采时间两个参数,通过计算得出:通过水力冲孔技术,等效抽采半径增加至原来的1.7倍,而有效抽采时间降低为原来的56%,说明水力冲孔能有效增大煤层透气性,并提高抽采效率。同时发现水力冲孔后气体压力梯度较小,说明水力冲孔是通过促进冲孔附近煤层孔裂隙发育进而降低瓦斯运移阻力从而实现增透效果,因此如何持续、高效地提高煤层孔裂隙发育是水力冲孔技术的关键所在。     

钻孔卸压布孔参数的数值模拟

钻孔卸压是解决冲击地压有效方法之一。为了研究布孔参数对卸压效果的影响,采用RFPA2D数值模拟软件,模拟钻孔直径、钻孔间距、钻孔深度、应力对卸压效果的影响。通过模拟及理论分析,得出在其他外界因素一定的条件下,卸压效果随孔径的增大而提高;钻孔时煤体中的应力越大,卸压效果越显著的论断。模拟结果表明：煤岩体在高应力状态35 MPa下,钻孔直径200 mm时,钻孔间距为3.5 m,钻孔直径400 mm时,钻孔间距为4.5 m卸压效果好;在一般应力状态25 MPa下,钻孔直径200 mm时,钻孔间距为2.0 m,钻孔直径400 mm时,钻孔间距为3.0 m卸压效果好。     

坚硬顶板条件下回采巷道支护技术研究

针对山西柳林凌志兴家沟煤业有限公司8号煤层80105工作面的在坚硬顶板条件下面临的回采巷道支护难题,结合围岩控制理论和锚杆、锚索支护理论,采用基于模糊等价关系的聚类法,对兴家沟煤矿8号煤层巷道围岩稳定性进行了分类,探讨了适宜于8号煤层赋存条件的巷道锚固定支护理论依据、设计原理及方法,确定了85015工作面顺槽顶板及两帮锚固参数,并制定了合理的锚固方案,基于实践验证,该方法有效解决了开拓掘进中面临的支护问题,达到了安全高效生产的目的。     

钻孔抽放瓦斯流固耦合分析及数值模拟

钻孔抽放瓦斯是中国利用和治理煤层瓦斯最主要的方法。随着开采深度的加深,地应力场等因素对瓦斯渗流的影响越来越明显。基于对煤层瓦斯一系列的假设的基础上,考虑了地应力、煤层瓦斯压力变化对煤体骨架产生的变形的影响,推导出了孔隙率、渗透率的表达式。运用多孔介质渗流的基本定理和流固耦合的基本理论得出了瓦斯流固耦合控制方程。运用多物理场耦合分析软件对钻孔抽放下的瓦斯渗流场进行了模拟分析。得到了钻孔抽放条件下瓦斯压力的分布、不同的埋藏深度下以及不同的钻孔参数（抽放负压、钻孔半径）对瓦斯渗流场的影响。分析模拟结果可以对现场     

水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能,以重庆天府三矿为研究目标区,采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构,分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因,结果表明,煤体孔隙多为两端开口的平板状、管状孔,孔隙的连通性好,压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×105倍,煤体孔隙本身的渗透性较好,煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验,试验表明,卸压后煤层渗透率增加了90倍,抽采率从17%提高到了58%,抽采量增加了4.8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程,解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径,优化了合理布孔间距、抽采时间,为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。     

综放全厚开采20 m特厚中硬煤层数值模拟研究

针对酸刺沟煤矿6-1号煤层的具体条件,基于矿山压力对顶煤的压裂作用,运用数值模拟方法系统研究了综放全厚开采20 m特厚中硬煤层的合理工作面长度和工艺参数。主要结论有:工作面前支承压力峰值随工作面推进距离增大而变化;工作面前支承压力峰值随工作面长度的增加而增大;顶煤破坏系数随工作面推进距离和工作面长度的增加而变化。考虑矿山压力对顶煤的压裂作用,20m特厚中硬煤层综放工作面的长度应大于300 m;建议综放全厚开采20 m特厚中硬煤层的底层工作面应采用4.5 m的大采高;支架合力作用点位置和支架阻力对顶煤压裂和支护系统的稳定性起着十分重要的作用;给出了合理的开采工艺参数及其匹配。     

基于非吸附平衡的钻孔周围瓦斯压力分布规律

传统钻孔周围瓦斯压力分布规律研究均以煤体对瓦斯的吸附处于平衡状态为基础,但是,瓦斯流动本身就会使得这种平衡被打破。本研究首先对瓦斯流动条件下的吸附平衡性实验方案进行了设计,并开展了相应的实验研究;在此基础上,对处于非吸附平衡条件下的钻孔周围瓦斯压力分布规律进行了研究,得出了钻孔周围煤层瓦斯压力计算表达式。研究结果表明,在瓦斯流动条件下,煤体对瓦斯的吸附作用处于非平衡状态,钻孔周围煤层瓦斯压力随时间基本呈线性规律下降。采用瓦斯压力指标对预抽煤层瓦斯消突效果进行检验,可能出现低指标突出现象,建议改用瓦斯含量指标。