深部远距离下保护层开采多关键层运移— 裂隙演化—瓦斯涌出动态规律研究

为了探索淮南矿区深部A组煤开采远距离上行卸压B组煤的可行性,以潘二矿A3煤11223工作面及B4煤为工程背景,采用理论分析、实验室测试、相似模拟试验以及现场观测的手段,研究了覆岩不同关键层结构远距离下保护层开采采动裂隙动态演化规律和卸压特征,以及多关键层运移对被保护层卸压瓦斯涌出动态的影响。研究表明:1)沿工作面走向采动裂隙随关键层破断"跳跃式"向上扩展,岩层稳定后采空区中部裂隙被重新压实,切眼、工作面侧裂隙由于煤柱作用长期存在,共同构成"梯形裂隙区"。关键层竖向破断裂隙未贯通时,其随动岩层不会形成离层裂隙,同时对穿层裂隙的扩展也起到阻隔作用,致使保护层卸压角减小;2)沿工作面倾向裂隙分布为整体偏向上山方向的"斜梯形",倾向上部裂隙较发育。控制被保护层运移的关键层破断裂隙未贯通时,被保护层卸压系数和卸压范围均有所减小;3)由于11223工作面东一段和西二段覆岩关键层结构不同,导水裂隙发育高度存在显著差异,被保护层B4煤东、西两段煤层透气性系数分别扩大了592倍和105倍,从增透倍数和瓦斯抽采量来看,潘二矿下保护层A3煤11223工作面开采卸压B4煤是可行的,且东一段卸压效果明显优于西二段;4)由瓦斯抽采数据反演获得的各关键层破断步距与相似模拟试验结果有较好一致性,关键层的运移对被保护层瓦斯涌出动态起控制作用。     

下保护层开采覆岩应力变化特性数值模拟

为了预防生产矿井的煤与瓦斯突出,利用保护层开采过程中的被保护层的卸压作用对卸压瓦斯进行强化抽采,使被保护层由高瓦斯突出危险煤层变为低瓦斯无突出危险煤层,实现对煤与瓦斯突出煤层的消突.应用数值模拟软件进行模拟,对下保护层开采后顶板覆岩的卸压程度、煤岩层移动变形、岩体裂隙发育和煤层卸压瓦斯抽采方法进行系统的研究.结果表明,被保护层的膨胀变形使得被保护范围内的围岩体内部形成大量孔道和裂隙,煤层的透气性增大.被保护层地压减小,弹性潜能得到缓慢释放.开采保护层结合采取相应的瓦斯抽放措施,对于防治深部煤层瓦斯突出和实现煤矿安全生产具有重要的意义.     

下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及保护范围研究

以晋城矿区为工程背景,开采9号煤层作为3号煤层保护层,开展下保护层开采试验。采用数值模拟手段,研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层工作面开采后,上覆煤岩体出现分区卸压效应,距离工作面垂直距离越远,岩层卸压程度越不明显。被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°。采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,通过钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生了离层裂隙。煤层瓦斯参数测定表明:被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力均有所降低,保护层开采起到了效果。     

远距离下保护层开采对上覆煤岩层卸压效果的影响

为探究晋城矿区下保护层开采对上覆岩层卸压效果,综合运用数值模拟和现场实测等手段,并以该矿区开采9号煤层作为3号煤层下保护层为工程背景开展研究。采用数值模拟手段研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层回采后,上覆煤岩体出现分区卸压效应,卸压效果随与工作面垂直距离增加而降低;被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°;采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,通过钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生离层裂隙。煤层瓦斯参数测定发现,被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力分别降低至开采前50%和60%,表明开采9号煤层作为保护层对上覆3号煤层卸压消突效果显著。     

近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究

围岩应力、裂隙分布特征是影响突出危险煤层瓦斯抽采效果的重要因素,为优化突出危险煤层群瓦斯预抽方案,以沙曲煤矿近距离煤层群开采为背景,采用相似模拟实验研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征。结果表明：3+4号煤初采时,叠加采动的影响下,顶底板卸压程度较一次采动影响时高,但高卸压程度阶段持续长度减少,约105 m,底板最大应力降低值可达12 MPa,是保护层开采时最大应力降低值的1.5倍;进入正常推进阶段,仅距采空区两侧煤壁一定范围L内仍保持较高裂隙发育和应力降低程度,且较保护层开采时L值减小,20~30 m,采空区中部覆岩裂隙再次闭合,围岩应力出现恢复现象;工作面推进距离一定条件下,双重采动影响下顶底板卸压程度及裂隙发育程度较一次采动影响下明显升高;被保护层开采时,3+4号煤同2号煤之间岩层破碎程度最高,裂隙最为发育,覆岩裂隙发育程度随工作面推进距离增加而升高,由于形成稳定顶板结构的随机性,覆岩裂隙频数程台阶式增长。最后将研究结果应用于沙曲煤矿高瓦斯煤层群开采时瓦斯抽采钻孔的布置设计,取得较好的抽采效果。     

软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究

针对软岩保护层开采后上覆被保护煤层卸压瓦斯治理问题,以淮北芦岭煤矿首例软岩保护层开采试验为工程背景,采用综合研究方法研究软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化特征。结果表明:Ⅲ11软岩保护层开采后覆岩冒落带和裂隙带最大发育高度分别为10.1～12.4,52.7～59.95 m,采空区侧及上覆被保护层煤层下部存在竖向裂隙发育区和远程离层裂隙发育区;设计地面采动井和拦截钻孔抽采覆岩8、9煤层卸压瓦斯,优化地面采动井终孔位置垂直方向距顶板法距20 m,倾斜方向距风巷或机巷平距35 m,拦截钻孔终孔位置距9煤底板5 m。考察期卸压瓦斯抽采实践表明,软岩保护层开采后覆岩"两带"发育高度的判断和卸压瓦斯富集区域的辨识是合理正确的。     

上保护层开采下充实率控制裂隙发育规律及瓦斯抽采研究

针对深部矿井无常规保护层的高瓦斯低透气煤层的安全开采问题,提出"采-选-抽-充-防"集成型绿色开采技术。利用UDEC离散元软件,模拟分析了上保护层开采下充填控制裂隙瓦斯通道演化规律,结果表明:被保护层采动裂隙发育区近似呈"O"形圈分布,且"O"形圈裂隙分布范围随工作面推进逐渐前移,"O"形圈裂隙发育高度对被保护层瓦斯抽采起到了关键作用。基于保护层卸压开采的原则,提出上保护层开采下充实率优化设计流程,并确定平煤十二矿己_(15)煤层充填开采充实率为40%。己_(15)-31010工作面瓦斯抽采的工程实践表明,充实率为40%条件下被保护层瓦斯抽采效果良好,瓦斯压力下降高达80%,瓦斯抽采率高达66%,彻底消除了己_(15)煤层煤与瓦斯突出危险。     

下保护层开采上覆煤岩层卸压效果研究

以晋城矿区开采9~#煤层作为3~#煤层下保护层为工程背景,采用数值模拟手段研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层回采后,上覆煤岩体具有分区卸压效应,卸压效果随与工作面垂直距离增加而降低;被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°;采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生离层裂隙;煤层瓦斯参数测定指出被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力分别降低至开采前50%和60%。     

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。     

深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性

为解决深部近距离上保护层开采被保护层大量卸压瓦斯通过底板裂隙涌向首层采煤工作面极易造成瓦斯超限的问题,以平顶山天安煤业股份有限公司五矿为研究背景,采用理论分析、实验室实验、现场考察以及离散元数值模拟的手段,研究了深部近距离上保护层开采底板煤岩层裂隙瓦斯通道演化规律及下被保护层卸压瓦斯抽采时效性。研究表明:回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、卸压增透区和重新压实区,卸压增透区内煤体膨胀变形量大渗透率高,卸压瓦斯解吸扩散,底板采动裂隙使被保护层与采煤工作面贯通形成裂隙瓦斯通道。时间尺度上,卸压增透区的形成与上保护层回采到基本顶来压垮落时间段相对应,采动裂隙瓦斯通道伴随基本顶的破断垮落逐渐重新压实消失,卸压增透区范围在基本顶初次垮落前达最大值,回采推进期间与基本顶来压步距正相关。重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸荷、重新加载后可能出现损伤破坏,卸压瓦斯大量解吸引起煤体收缩变形,部分煤岩体受力比其原始应力更大出现压缩变形。卸压增透区是卸压瓦斯产生及运移的主要空间,也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区,瓦斯抽采工程需考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。     

同安煤矿远距离上保护层开采保护效果初探

以同安煤矿远距离上保护层开采作为研究对象,通过测定同安煤矿下部15#突出煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性和煤层相对变形等参数变化情况,研究该矿5#煤层作为上保护层对下部15#煤层的防突保护效果。结果表明:下保护范围内的15#煤层原始瓦斯压力显著下降,煤层相对变形增加到2.41‰,瓦斯流量增加了67倍,透气性系数增加了115倍。5#远距离上保护煤层对下部15#被保护煤层起到了较好的保护作用。     

近距离煤层瓦斯涌出量影响因素之研究

为提高近距离煤层采煤面瓦斯涌出量受邻近层影响程度的预测准确性,以西山矿区西铭矿48402工作面为例,通过对地应力、瓦斯分布、瓦斯含量、瓦斯抽采等方面的分析研究,根据该面相关实测参数,得出了影响瓦斯涌出量的因素主要是三个方面,即:项底板应力变化引起的煤层瓦斯涌出量的变化、采空区内平均瓦斯含量随着距工作面距离增大而减小、采空区内瓦斯分布的状况对工作面瓦斯涌出量具有直接的影响.确定了今后开采8#煤层时,除对本煤层进行抽采外,还要对上邻近层施工高位孔,对下邻近层9#煤层施工底抽钻场的办法,为今后瓦斯综合治理提供了科学依据.     

近距离突出煤层群上保护层开采瓦斯治理技术

结合青东煤矿上保护层开采条件,采用FLAC3D软件模拟了上保护层开采底板卸压规律。研究结果表明:被保护煤层卸压瓦斯涌出率为30.0%～36.5%;上保护层开采后被保护煤层原始地应力由10.5～10.8 MPa降低为1.0～1.5 MPa;被保护煤层初始卸压位置为工作面回采至40～50m。根据研究结果制定了顶板岩巷穿层钻孔、顺层预抽、顶板高抽巷、上隅角埋管及上保护层回风巷下向穿层增裂钻孔的立体瓦斯治理技术。工程应用表明,卸压瓦斯占工作面瓦斯涌出总量的86.8%,被保护煤层瓦斯涌出率为30.4%,被保护煤层初始卸压位置为工作面回采至40 m位置。     

高瓦斯多煤层大采高工作面覆岩裂隙演化规律研究

高瓦斯多煤层矿井运用大采高技术以实现矿井高产高效,开采工艺不同导致工作面瓦斯涌出规律的变化。以沁水煤田15#煤层大采高工作面煤层赋存条件和覆岩分布特征为背景开展采动覆岩裂隙演化规律研究,运用UDEC数值模拟大采高工作面在不同推进距离时覆岩裂隙形态发育及位移量,并提出基于示踪原理的实测覆岩裂隙发育规律的验证方法。研究表明:大采高工作面推进至120m时,煤层上覆岩层裂隙极限发育高度为65m,大采高工作面上邻近层8#煤层处于采动卸压范围,示踪气体法现场测试数据验证了数值模拟的准确性。由于大采高工作面覆岩裂隙发育范围扩展至上邻近层8#煤层,所以工作面回采过程中应增加上邻近层瓦斯抽采工艺。     

薄煤层快速回采工作面瓦斯综合抽采技术应用实践

针对薄煤层快速回采工作面瓦斯涌出量大,工作面上隅角、回风流等多处局部瓦斯超限现象,采用分源瓦斯分析方法,确定工作面瓦斯来源及含量,并采用本煤层预抽、高位顶板裂隙抽放、采空区插管埋管抽放等综合抽放瓦斯措施,对工作面瓦斯进行综合治理。试验结果表明:综合抽放瓦斯措施分别解决了快速回采期间落煤及采动引起的工作面瓦斯涌出量大、上邻近层卸压瓦斯向采空区大量涌入、下邻层卸压瓦斯向采空区涌入、U型通风工作面上隅角瓦斯聚集和超限问题。薄煤层快速回采工作面瓦斯综合抽采技术能够有效治理矿井瓦斯,不仅实现了薄煤层工作面安全高效开采,同时为类似矿井瓦斯治理提供了借鉴。     

本层采空区瓦斯释放的应用

针对低瓦斯炮采工作面上隅角瓦斯治理,利用本层上采空区泄压释放,进行尝试实验,效果明显。在瓦斯涌出较小的采煤工作面,在不必钻孔抽放瓦斯的前提下,有一定的应用性。     

岩石截流钻孔抽放瓦斯技术的应用

针对近距离煤层群下开采保护层时,瓦斯易从邻近层涌入回采工作面的问题,在试验煤矿采用了岩石截流钻孔抽放瓦斯技术,通过效果考察并将其与邻近层钻孔抽放瓦斯技术进行对比,结果表明:岩石截流钻孔抽放瓦斯技术能有效将上邻近层涌向工作面的部分瓦斯进行拦截,达到了防止工作面回采过程中瓦斯超限的目的。     

基于渗透率变化的煤层瓦斯抽采特性理论分析

煤层瓦斯抽采实现是防治煤与瓦斯突出、防止瓦斯爆炸和瓦斯燃烧的基本措施。目前钻孔对煤层进行瓦斯抽采期间,煤层渗透率的变化规律以及由渗透率变化引起的煤层瓦斯抽采特性是现场生产过程中经常忽略的问题。为分析瓦斯抽采期间煤层渗透率变化规律以及由渗透率变化引起的煤层瓦斯抽采特性,以渗透率主导影响因素有效应力和基质收缩效应作为切入点,主要采用理论分析的方法开展研究。结果表明:钻孔抽采使煤层有效应力增加、基质收缩;有效应力的增加使煤层渗透率降低,基质收缩使煤层渗透率增大;煤层瓦斯抽采呈现有效应力与基质收缩一负一正、先后占据主导作用的影响效应。     

低透气性特厚煤层工作面高位抽放技术应用

特厚松软高瓦斯低透气性煤层,虽然经过2～3a的预抽,但在工作面回采过程中,上隅角及回风流中瓦斯超限依然是安全生产中的难题,充分利用钻孔抽放回采后顶板岩石冒落后形成的裂隙带中瓦斯,既可提高瓦斯抽放量,改变采场后放瓦斯流场,又能较好地解决工作面瓦斯超限问题,取得了良好效果。     

特厚煤层综放工作面瓦斯抽采技术研究

为解决蒋家河煤矿采空区瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限和回风平巷风排瓦斯量大等问题,提出了本煤层预抽、专用瓦斯抽放巷抽采和上隅角埋管抽采瓦斯相结合的方法对该矿ZF202综放工作面进行瓦斯治理,进行了现场实测和瓦斯抽采效果分析。结果表明,本煤层预抽后,瓦斯含量由7.92 m^3/t下降为4.21 m^3/t,瓦斯压力由0.72 MPa下降为0.38 MPa;上隅角瓦斯浓度由0.78%下降至0.4%左右。通过对比,专用瓦斯抽放巷的抽采纯量是高位钻孔的2.5倍,抽采效果好于高位钻孔,使工作面和上隅角瓦斯浓度保持较低水平,有效地解决了特厚煤层综放工作面瓦斯超限问题,为安全生产提供了重要保障。