黄陵一号煤矿中厚煤层110工法瓦斯治理技术研究

切顶留巷无煤柱开采下煤与瓦斯共采是我国无煤柱开采技术的重要发展方向,为解决陕西黄陵一号煤矿中厚煤层110工法开采工艺条件下卸压瓦斯治理难题,采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法,分析了切顶留巷开采导致覆岩结构变化及裂隙分布特征。结果表明,根据110工法开采过程顶板结构状态变化特征,将切顶留巷围岩结构运动划分为4个阶段。工作面充分采动后,垮落带的高度基本不再变化,稳定在7 m左右,裂隙带发育高度为55 m左右,应力集中系数约为2.73,采空区中部垮落带内裂隙基本处于压实闭合状态,裂隙区宽度约为40 m,切眼处岩层破断角为67°,工作面停采处岩层破断角约为62°。根据1009工作面切顶留巷无煤柱开采技术下裂隙分布特征,施工定向高位试验钻孔,现场抽采效果良好,有效治理了1009回风巷瓦斯浓度超限问题,实现了1009工作面安全回采。     

采空区上覆岩层破坏高度的预测

煤矿开采后采空区上覆岩层由上而下依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。采用井下钻孔的方法对大佛寺煤矿采空区上覆岩层现场观测,得出了垮落带和裂缝带的发育高度,并理论推算出了其发展规律的二次预测模型。预测结果表明:从距回风巷10m的位置处起,垮落带开始发育,其最大高度距煤层顶板约为0～1.3m,裂缝带最大高度距离煤层顶板27.6m,该模型的获取为大佛寺40106工作面煤的自燃防治及高抽巷瓦斯抽放提供了重要的理论依据。     

破碎顶板切顶留巷采空区顶板垮落特征试验研究

垮落带内含有的坚硬厚砂岩冒落性差,易在沿空留巷实体煤帮的支撑下形成三角板结构,随着上覆岩层的断裂和应力传递,造成沿空巷道采动压力影响剧烈。基于禾草沟二号煤矿1105工作面厚砂岩顶板设计10种不同间距切顶钻孔试验方案进行现场试验,并在相应区域对沿空侧采空区岩层垮落特征进行监测。试验表明,在未爆破区域和爆破区域,采空区顶板岩石垮落时间随炮孔间距的增大而增大,爆破区域沿空侧采空区垮落矸石充填满巷帮时间为非爆破区域的0.4倍,沿空巷道稳定速度更快。在未爆破区域和爆破区域中,沿空侧巷帮垮落矸石块度随切顶钻孔间距的增大而增大,未爆破区域垮落矸石块度最大为1.33 m,爆破区域垮落矸石块度最大仅为0.36 m。在设计方案中,巷道顶板压力与巷道顶底板位移均随切顶钻孔间距的增大而增大,相同间距钻孔,爆破区域巷道顶板压力与巷道顶底板位移均明显小于非爆破区域。根据试验结果,在设计方案中,钻孔间距400 mm、间隔爆破时,切顶效果较好,沿空侧采空区顶板冒落性好、接顶速度快、沿空巷道动压显现较弱。     

切顶留巷综采面采空区防漏风技术研究

为掌握切顶留巷条件下的采空区漏风规律，降低对采空区的漏风供氧，首先利用COMSOL数值模拟软件分析了青龙煤矿21606综采工作面切顶留巷采空区的漏风流场，模拟结果表明：切顶留巷“Y”型通风方式下，采空区漏风风速沿远离综采面的方向明显衰减，采空区漏风路径主要为：从下隅角进入，经采空区流向上隅角和通风立眼处。其次，利用SF6现场示踪试验对模拟结果进行验证，结合模拟和现场试验结果得到了采空区漏风流场的特征，并分区域制定了针对性的防漏风措施：在切顶留巷及通风立眼处采取砌墙并进行喷浆处理|在工作面进行切顶爆破加速顶板垮落|在补回风巷和回风巷上隅角处砌筑沙袋墙并喷涂施密特防漏风材料|在切眼及补切眼处进行喷浆和及时封堵切眼瓦斯抽采钻孔|补充压注凝胶等综合措施。通过综合防漏风措施的实施，降低了工作面自然发火风险，保证了工作面的安全回采。     

裂隙带抽采在漳村煤矿综采工作面的应用

针对漳村煤矿2503工作面回采过程中上隅角超限问题,通过对工作面上覆岩层垮落特征分析,研究在回风巷顶板打设高位裂隙钻孔抽采采空区裂隙带瓦斯进行治理。回采过程中钻孔瓦斯抽采量随工作面推进先增大后减小,上隅角和回风流瓦斯涌出量逐渐降低,工作面上隅角瓦斯未出现超限现象。     

切顶卸压自动成巷的离散元数值模拟

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术是一种经济有效的无煤柱开采新技术,目前,对此技术进行关键参数研究多采用基于连续力学理论的数值模拟方法,难以实现顶板离层与垮落等物理现象的模拟。采用三维离散元软件对浅埋深煤层切顶卸压自动成巷进行研究,较详细分析了不同切缝高度下采空区上覆顶板岩层应力场与变形移动规律。研究结果表明：离散元法可有效地模拟出上覆岩层的应力场演变过程、块体的位移及岩层跨落;不同顶板预裂切顶高度对顶板顺利切顶成巷有较大影响,切缝应有效切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递。研究结果对切顶卸压自动成巷技术应用过程中参数的研究与分析有一定借鉴意义。     

坚硬顶板切顶沿空留巷顶板运移规律及切缝参数分析

为了合理确定切顶留巷切缝参数，以唐山沟煤矿坚硬顶板条件下切顶沿空留巷为工程背景，运用理论分析并结合现场实测结果，得到了切顶沿空留巷覆岩运移规律和顶板断裂结构特征，发现岩体间水平推力和剪切面摩擦力是阻碍顶板被顺利“切落”因素，通过分析岩梁力学结构和几何关系，得到了留巷顶板合理切缝参数，并进行了井下验证。研究结果表明：坚硬顶板条件下，切顶留巷顶板垮落后，将相互铰接约束，形成砌体梁平衡结构|切顶留巷顶板在被“切落”时，将由于岩体相互铰接导致的水平推力，存在一个阻碍顶板被切断的摩擦阻力|根据对切顶留巷顶板受力及几何关系分析，得到了合理顶板切缝角度与其他参数关系式，切缝角度与顶板岩层重度、采高正相关，与岩体抗拉强度、岩石碎胀系数成负相关。井下试验表明，采用推导计算式所得切顶参数可以使留巷采空区侧顶板较好被“切落”，留巷顶板压力及顶板移近量均在可控范围内，满足安全生产需要。     

井下大直径钻孔瓦斯抽采技术研究

为研究面间煤柱内的大直径钻孔抽采采空区瓦斯效果,基于某矿实际生产条件及COMSOL数值模拟软件,依据上覆岩层运移理论、采空区顶板岩性、顶板垮落破坏特征对采空区孔隙率进行了分块赋值,COMSOL数值模拟研究结果表明:钻孔布置的最佳距离为8～10 m。考虑经济因素及顶板垮落步距的影响,钻孔布置的最佳距离应为10 m;靠近工作面上隅角处,采空区内瓦斯浓度呈中心高、四周低的圆环状分布,该低瓦斯浓度圆环的出现与大直径钻孔对采空区内瓦斯的抽采作用密切相关。ORIGIN数据拟合及计算表明:10 m钻孔间距条件下,控制上隅角瓦斯浓度不超限的钻孔最小瓦斯抽放量为5.4 m³/min。该理论成果的成功运用,指导了该矿的生产安全。     

高位定向钻孔合理层位确定及抽采效果分析

为了有效解决临近层卸压瓦斯通过采动裂隙扩散至本煤层工作面，导致采空区上隅角及工作面回风巷瓦斯浓度超限的问题。以某矿9103工作面为工程背景，采用理论分析与数值模拟相结合的手段，对工作面上覆岩层裂隙演化规律进行分析研究。研究表明：采用UDEC数值模拟软件分析工作面上覆岩层破坏时垮落带和裂隙带演化规律及裂隙带高度分布范围与理论计算结果基本一致，覆岩垮落带最大高度4.9 m，裂隙带最高13.44 m。基于此，确定了工作面覆岩高位钻孔设计方案：在9#煤层上方10 m位置的粉砂岩中，采用高位钻孔技术抽采瓦斯，整体抽采浓度较高，进一步验证了高位钻孔布置参数设计的合理性。     

高突矿井大采高综采面初采瓦斯治理关键工艺研究

高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井初采期间,采空区积聚的瓦斯受顶板不规则垮落等不稳定因素影响,极易涌入工作面及回风巷导致瓦斯超限。寺河煤矿6302工作面在初采前通过取岩芯确定了顶板岩层特性,结合生产实际经验,确定了最优爆破放顶工艺参数,经过科学合理的现场组织,促使初采期间顶板及时垮落;同时依据综采面“三带”形成规律,确定了综采面最适宜抽采裂隙层位,并有针对性地制定了多种抽采措施,避免采空区垮落带、裂隙带瓦斯积聚,成功减少采空区瓦斯涌出,有效提升了工作面安全系数,保障了工作面安全开采。为类似条件工作面的安全开采提供参考。     

基于UDEC采场上覆岩层应力分布及破坏规律研究

采空区这一多孔介质对采空区瓦斯抽放与采空区瓦斯运移规律有重要的影响作用。基于UDEC软件对工作面上覆岩层的垮落规律进行研究,分析采空区在形成过程中采场上方岩层的应力分布和破坏规律,从而在水平与竖直方向上明确地对采空区进行划分,得出冒落带与裂隙带的高度分别为15.9 m与29.5 m,顶板初次垮落步距与离层区的宽度分别为41.6 m与120 m。这将为采空区的瓦斯治理及高抽巷位置的确定提供一定的科学依据。     

采动裂缝带瓦斯抽采技术及工程实践

基于采空区上覆岩层裂隙分布规律,根据裂缝带高度、钻孔沿倾向控制范围经验公式,在工作面前方实施了顶板走向高位钻孔。结合天地王坡矿3215工作面裂缝带钻孔试验及抽采数据分析,验证了垮落带和裂缝带高度,并对钻孔压茬距以及合理钻场间距进行了计算,提出了合理的优化建议。工程实践表明:经优化后,顶板走向高位钻孔抽采效果明显,钻场平均瓦斯抽采量9.26m3/min,瓦斯抽采率52.65%,有效降低了采空区和采煤工作面的瓦斯量。     

涡北煤矿综采放顶煤工作面高位长钻孔瓦斯抽采参数的优化

为进一步提高瓦斯抽放率,确保矿井安全生产,采用了RFPA2D软件模拟煤层顶板垮落规律,通过研究8101综采放顶煤工作面采空区顶板垮落带、断裂带、离层带高度以及老顶来压步距和垮落角等,对高位长钻孔抽采参数进行了优化,为瓦斯抽采设计提供了基础数据。     

薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数研究

针对薄直接顶大采高工作面顶板垮落后不能及时充满采空区,造成上覆厚硬顶板在工作面侧向形成悬臂梁结构,进而向留巷侧传递覆岩压力导致留巷围岩破坏失稳的现象,以某矿12408工作面薄直接顶、厚硬基本顶条件为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,研究了薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数。建立了留巷顶板的力学模型,量化了未贯穿面的拉应力与切顶高度和切顶角度的关系,确定了未贯穿面拉应力随切顶高度和切顶角度的变化规律,得出了切顶角度一定时,未贯穿面处的拉应力与切顶高度近似指数函数规律分布,拉应力随切顶高度的增大而增大,且增长速率逐渐加快;切顶高度一定时,未贯穿面处的拉应力随切顶角度的变化曲线呈抛物线形,随着切顶高度增大,未贯穿面处的拉应力超过极限所需的切顶角度的范围也增大。数值模拟方法分析了留巷中锚索轴力变化系数的变化规律、区段煤柱和相邻巷道竖直方向应力的分布特征,确定了11 m的切顶高度和大于0°的切顶角度即可切断顶板间的应力传递。现场考虑到实际岩层赋存条件的复杂多变、爆破后切缝面的不平整性和贯通程度的差异性以及保证厚硬顶板在矿山压力作用下顺利垮落,采用13.6 m的切顶高度和10°的切顶角度,结合顶板垮落后的碎涨系数,理论验证了顶板垮落后的高度大于工作面实际高度,即垮落顶板能够及早支撑上覆岩层,减轻覆岩运动对留巷和煤柱稳定性的影响。现场监测到巷道顶底板及两帮变形量较小,围岩较稳定,验证了数值模拟结果的可靠性以及切顶卸压技术的可行性,可为类似条件的切顶留巷提供借鉴和参考。     

切顶卸压沿空留巷围岩控制效果数值模拟研究

为研究切顶卸压对沿空留巷围岩控制效果的影响规律,基于UDEC软件,对沿空留巷侧向顶板悬顶与垮落2种情况下的围岩受力变形特征进行深入分析。研究表明:相对于直接顶悬顶状态,直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49;直接顶垮落状态下沿空巷道顶板下沉、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量相对于直接顶未垮落状态下,分别降低73%、60%、27%、75%;巷道侧向悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因,切顶会促使采空区上方直接顶有效垮落,采空区上覆岩层的重力无法有效向巷道周围的煤岩体中传递,且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用,有助于降低巷道围岩所承受的压力。     

近距离煤层群切顶留巷覆岩应力及变形响应研究

为了深入了解近距离煤层群切顶留巷上覆岩层应力及变形演化规律,以白皎煤矿B4煤层、B3煤层、B2煤层切顶成巷巷道2442、2443及2444运输平巷为研究对象,开展了3层煤回采巷道开挖物理试验研究,结果表明:①上煤层巷道切顶后,顶板卸压;煤层开挖后,采空区顶板垮落并支撑巷道顶板,顶板增压;煤层继续开挖,覆岩断裂,顶板卸压...     

近距离保护层采场瓦斯抽采技术

为了解决淮南矿业集团新庄孜煤矿62114保护层采场瓦斯问题,提出了Y型通风条件下近距离保护层采场瓦斯抽采新思路。在62114保护层采场实施了煤层底板运输巷上行网格式穿层钻孔抽采下被保护层卸压瓦斯技术;同时在62114保护层工作面回风巷(沿空留巷)实施了上行穿层钻孔抽采采空区顶板岩层间瓦斯,下行穿层钻孔抽采采空区底板岩层间瓦斯;并且对62114保护层工作面采空区瓦斯进行埋管预抽,配合高抽巷对采空区瓦斯进行抽采。现场应用表明:Y型通风条件下近距离保护层采场瓦斯抽采成功解决了62114保护层采场瓦斯问题,实现了煤与瓦斯共采。     

综放工作面采空区“三带”高度分布特征数值模拟研究

煤矿开采过程中,岩层遭到破坏,采空区上方出现了明显的"三带"特征,详细掌握岩层"三带"分布规律,有利于较为定量的分析采空区瓦斯赋存和导水裂隙带高度,并能分析采空区对临近工作面及临近巷道的影响,从而为高、低位抽采巷(顶板高、低位钻孔)层位布置,临近工作面及临近巷道布置提供依据。通过对阳煤集团新大地煤矿综放工作面采空区建立覆岩变形破坏数值模型,得出采空区"三带"高度分布规律,从而指导矿井在相似开采条件下选择高、低位抽采巷和顶板高、低位钻孔布置层位,进而取得较好的瓦斯抽采效果。     

水力预裂在顶板控制与瓦斯治理方面的融合应用

双柳煤矿煤层开采后上隅角大面积悬顶,且随工作面推进短期内不能及时垮落,造成采空区瓦斯积聚,在23(4)11回采工作面运巷端头顶板处施工水力预裂超前切顶孔,实现顶板及时跨落,并对预裂钻孔进行二次利用,通过封孔接入工作面高负压系统进行上隅角瓦斯抽采,瓦斯浓度平均下降0.16%,治理效果明显,实现了瓦斯与顶板共治。     

基于采空区瓦斯运移规律的抽采钻场设计

为了对高瓦斯工作面采空区抽采钻场进行设计,使采空区及工作面上隅角瓦斯得到有效控制,通过数值模拟分析了采场覆岩结构及裂隙发育规律;根据模拟结果利用实验室试验分析了抽采钻孔在不同位置时采空区瓦斯的运移规律,得出终孔位置距煤层顶板上方30m左右,距回风巷水平距离10～20m时抽采效果最佳;且终孔高度应根据工作面覆岩结构形态有所区别,靠近回风巷的钻孔高度应控制在规则冒落带上部,靠近工作面中部的钻孔应布置在裂隙带内。