工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响

为了进一步完善煤与瓦斯共采理论,促进煤与瓦斯双能源安全高效开采,基于关建层理论,采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移"三带"范围的影响规律。结果表明:在不同工作面面宽条件下,覆岩关键层的移动、破坏形态将对瓦斯卸压运移"三带"范围起到明显的影响作用。如果随着工作面面宽的加大导致覆岩关键层完全破断,则导气裂隙带高度将突增至该关键层上方一层未发生破断的关键层之下,若关键层未完全破断,则导气裂隙带高度稳定在该关键层之下;卸压解吸带高度止于上覆岩层中尚未破断且下方存在离层裂隙的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。研究结果的可靠性得到了工程实测的验证。     

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。     

保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究

随着我国煤矿开采深度的增加，煤与瓦斯突出矿井和变出煤层的数量不断增加，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，从而实现煤与瓦斯资源的安全高效共采．系统介绍了基于分源原理的回采工作面瓦斯涌出预测方法，保护层开采及卸压瓦斯强化抽采技术的发展和工程应用．结合淮南潘一矿下保护层和谢一矿上保护层开采及卸压瓦斯强化抽采实例，将保护层工作面瓦斯涌出量预测结果与保护层工作面瓦斯涌出量实测结果进行了对比分析．研究结果表明，由于保护层开采的卸压作用，使被保护层卸压瓦斯抽采率远大于被保护层卸压瓦斯的自然排放率，导致保护层工作面瓦斯涌出量预测结果小于实际瓦斯涌出量．     

关键层结构对保护层卸压开采效应影响分析

由于保护层卸压开采,导致覆岩结构的运动,致使上覆煤层变形,产生卸压效应,改变被卸压煤层的透气特性,为卸压瓦斯抽采创造有利条件.采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了上覆煤岩层采动裂隙演化、卸压煤层采动应力及位移分布、瓦斯参数变化等规律,结果表明:1)下保护层开采引起的上覆煤岩层采动裂隙集中分布在采场两端部,并呈竖向偏采空区方向发育,离层裂隙发育至被卸压煤层上方;2)开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育,卸压开采导致上覆煤层产生膨胀变形,透气性明显增加;3)由于被卸压煤层和保护层之间关键层结构的力学效应,使被卸压煤层透气系数增加幅度不显著,导致抽采孔瓦斯压力降低速度放缓.无关键层结构时,采动影响区内抽采孔瓦斯压力降低较快.     

远距离上保护层开采保护效果分析

以红菱煤矿西三采区上保护层开采为工程背景,通过总结保护层7煤工作面瓦斯涌出量的变化规律,结合现场实测的12煤瓦斯压力,对远距离条件下上保护层开采的保护垂距进行了考察.结果表明:被保护层12煤虽处于理论计算的最大保护垂距范围外,但仍能得到一定程度的卸压,部分卸压瓦斯可通过采动产生的层间裂隙上浮运移至保护层工作面.这为红菱煤矿远距离条件下上保护层开采的可行性提供了数据支持.     

保护层工作面煤气共采技术实践

通过谢一矿5121B10工作面突出危险性小的B10煤层作为上伏B11b、下伏B9b严重突出危险煤层保护层开采实践,在研究保护层采煤工作面回采瓦斯涌出的基础上,针对邻近层卸压瓦斯涌出量大的实际,对保护层工作面采用沿空膏体快速充填留巷的Y型下行通风方式,研究了本层瓦斯排放和邻近层卸压瓦斯立体抽采方式,考察了保护层开采被保护层煤层膨胀变形率,分析了保护层开采对被保护层的卸压保护效果,考察了保护层工作面瓦斯浓度分布规律及被保护区区域防突措施效果.经考察,保护层工作面回采被保护层卸压及瓦斯抽采效果明显,保证了保护层工作面安全高效回采,实现了邻近层的本质消突,达到了近距离煤层群煤气共采,为矿井区域性瓦斯治理提供了技术依据与支撑,对淮南矿区及其类似条件矿井提供了示范作用.     

关键层位置对卸压开采效应的影响

为了研究关键层层位对卸压开采效应的影响,利用UDEC二维软件模拟关键层位于不同层位时,下保护层开采过程中覆岩裂隙动态演化、应力分布以及被保护层膨胀变行规律。结果表明:当关键层位于保护层与被保护层之间时,被保护层位于弯曲带内,被保护层裂隙较少;关键层位于被保护层上方时覆岩破断裂隙发展到被保护层,利于微裂隙的发展,为瓦斯抽采提供有利条件;关键层层位不同其破断对被保护层的卸压影响是相反的;关键层层位对被保护层膨胀变形影响较大,且受关键层破断的影响;关键层的位置不同被保护层的卸压有明显的时空效应。     

近距离上保护层开采瓦斯综合防治技术研究

平煤六矿戊8-22180工作面作为上保护层开采后,会对采空区周围的煤岩层产生一定的卸压作用,同时会在保护层的上方和下方一定范围内产生离层裂隙和竖直裂隙,对于下方被保护层来说,就会改变被保护层区域内的应力、应变状态和煤层瓦斯参数,尤其卸压释放出的瓦斯会沿着裂隙向采空区及采面运移,造成生产期间瓦斯较大。针对这一现象,采用了卸压瓦斯抽放、上隅角瓦斯抽放以及增加风量等方法来治理采空区的瓦斯,并通过数据的收集与分析考察治理效果,得出了戊8-22180工作面的瓦斯涌出规律。     

近距离上保护层开采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采参数优化

为确保近距离上保护层工作面的开采安全,同时有效抽采下被保护层的卸压瓦斯消除其突出危险性,开展了近距离上保护层开采工作面的瓦斯涌出规律研究,在此基础上对被保护层的卸压瓦斯抽采参数进行了优化。研究结果表明：下被保护层12煤层位于上保护层开采后形成的底臌断裂带内,层间裂隙发育充分,保护层工作面瓦斯涌出量大多来自被保护层的卸压瓦斯;在采用底板岩巷上向网格式穿层钻孔对被保护层进行卸压瓦斯抽采时,被保护层卸压瓦斯流向保护层工作面还是穿层钻孔由瓦斯在裂隙中流动形成的沿程阻力决定;被保护层12煤层穿层钻孔间距确定为1倍层间距大小,即穿层钻孔间距为16 m。工程应用表明,该设计参数能够满足保护层安全开采及被保护层消除突出危险性的要求。     

薄煤层保护层开采覆岩裂隙演变数值模拟

在保护层开采时,上覆煤岩体的平衡遭到破坏,产生的破断和裂隙为瓦斯的运移创造了通道,有利于瓦斯的抽采。基于离散单元数值模拟软件UDEC2D,模拟了保护层在不同开采参数时上覆煤岩体应力场和裂隙场的变化。研究结果表明:保护层开采时,被保护层煤岩体发生破断,最大主应力主要集中在开切眼和工作面附近,垂直应力大致呈"M"形分布;在开采保护层过程中,上覆煤岩体裂隙发育经历"产生—发展—闭合稳定"的动态发展规律,工作面附近发育裂隙最充分,大致呈一"梯形",并随工作面推进动态前移;裂隙的发育程度和覆岩物理力学特性及开采参数有直接关系,在进行薄煤层保护层开采时应综合确定开采参数。     

近距离煤层群首采关键卸压层工作面瓦斯综合治理技术

近距离煤层群首采关键卸压层开采后,由于层间距较小,采动卸压后被保护煤层透气性增大数百到数千倍,卸压煤层产生采动裂隙,其相互贯通并与保护层采空区连通,导致被卸压保护煤层解吸瓦斯大量涌向保护层开采空间,造成首采保护层工作面的瓦斯治理更加困难。以淮南新庄孜煤矿近距离煤层群首采关键卸压层62114工作面开采为例,采用沿空留巷Y型通风煤气共采技术,提出并实施了被卸压保护煤层综合抽采瓦斯技术,工作面瓦斯抽采率超过80%,回风流瓦斯浓度低于0.6%,实现了高瓦斯煤层群煤与瓦斯的安全高效共采。     

基于岩层移动的下邻近层卸压瓦斯抽采及应用

以淮南新庄孜矿62114工作面为工程应用背景,研究分析了近距离上保护层开采工作面的瓦斯涌出规律,并提出了瓦斯治理措施.研究结果表明,1)上保护层采动作用下,在采动影响范围内下伏煤岩体可分为底鼓裂隙带和底鼓变形带,处于底鼓裂隙带内的下被保护层有向保护层采空区运移的趋势;2)在近距离上保护层开采工作面采用Y型通风方式可解决工作面上隅角瓦斯积聚、超限问题;3)下被保护层的穿层钻孔间距设计原则上需小于等于1倍的层间距,才能保证有效杜绝被保护层卸压瓦斯涌入保护层工作面.最后对淮南新庄孜矿近距离上保护层开采工作面进行了瓦斯抽采效果分析和总结.     

隐伏性突出煤层群保护层开采卸压瓦斯抽采技术研究

保护层开采是对于煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时首选的经济有效的区域防治突出措施,但开采保护层时既要治理本煤层涌出的瓦斯,还面临着被保护层卸压瓦斯涌入保护层工作面。为有效抽采上保护层开采后的卸压瓦斯,利用保护层开采“卸压增透效应”,结合新田煤矿井下生产实际情况,以新田煤矿1402保护层工作面为例,介绍保护层工作面开采期间的瓦斯治理技术。     

硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾机理分析

针对上覆岩层赋存硬厚岩层,采用相似材料模拟试验的方法,制作了工作面上覆硬厚岩层的相似模型,研究了硬厚岩层下覆岩结构和裂隙演化特征,分析了硬厚岩层破断致灾成因。研究结果表明,工作面推进后,上覆岩层走向断面上逐渐形成梯形结构,硬厚岩层的存在屏蔽了梯形结构的纵向发育|硬厚岩层下最大离层裂隙发育呈跳跃式上升,占据了煤层开采的大部分空间,为瓦斯积聚创造了空间|破断裂隙和离层裂隙相互贯通,在工作面侧和切眼侧的形成了双向互通的竖向破断裂隙区,为瓦斯运移提供了路径。开采煤层附近释放的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入上覆岩层最大离层裂隙,最终积聚在占据了煤层开采大部分空间的硬厚岩层下最大离层裂隙。硬厚岩层破断后瓦斯空间急剧减小,瓦斯压力快速上升,瓦斯经两侧竖向破断裂隙区涌向工作面,易诱发瓦斯突涌等灾害。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

含断层煤层群开采围岩应力演化规律研究

采用FLAC3D数值模拟分析煤层开采过程中邻近煤岩体及断层应力分布特点、裂隙发育演化规律、及煤岩层卸压范围。结果表明:切眼、工作面前方、断层面和断层端部均出现不同程度的应力集中现象。当工作面推进距断层一定距离时,采空区上下方邻近煤层卸压瓦斯大量运移并集中在开采空间。断层面应力与工作面应力区叠加贯通,达到应力最大值,此时应对该范围内的瓦斯进行合理的抽采,避免裂隙带形成的瓦斯积聚造成瓦斯突出。     

多煤层近距离保护层开采瓦斯涌出规律及抽采方案研究

 为确保近距离保护层工作面的生产安全,采用分源预测方法对罗州煤矿首采工作面瓦斯涌出规律进行分析,研究表明本煤层瓦斯涌出占16.9%,上邻近层瓦斯涌出占50.7%,下邻近层瓦斯涌出占32.4%。在此基础上对罗州煤矿瓦斯抽采方案进行优化设计,首采工作面采用本煤层顺层平行斜交钻孔、采空区埋管抽采结合通风稀释瓦斯,上邻近层采用高抽巷抽采环形裂隙圈内高浓度瓦斯,下邻近层采用底板穿层钻孔抽采底臌断裂带和底臌变形带内的卸压解吸瓦斯。通过保护层卸压开采配合卸压瓦斯强化抽采方法,降低了卸压煤层瓦斯含量,消除了被保护层煤与瓦斯突出危险性。     

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。     

下保护层开采围岩运移数值模拟研究

采用UDEC和FLAC 3D数值模拟软件分别模拟鹤壁四矿下保护层开采后上覆岩层"三带"的高度、被保护层的膨胀变形和卸压情况,为下保护层工作面的长度、采高、工作面支护参数等提供参考。模拟结果表明:层间关键层结构对被保护层的卸压和膨胀变形有一定影响。距离一8煤层4 m的4.6 m厚的石灰岩关键层结构不会对上覆煤岩层的卸压和膨胀变形有影响或者影响较小,但距离一8煤层约37 m的4.6 m厚的砂质泥岩关键层结构对上覆煤岩层的卸压和膨胀变形有一定影响。     

近距离煤层群下保护层开采瓦斯防治及涌出规律分析

对金佳矿11223下保护层工作面瓦斯治理及涌出规律进行了分析。经过5个月的瓦斯治理,最大残余瓦斯压力为0.36 MPa,最大残余瓦斯含量5.19 m3/t,平均瓦斯抽采率89.24%;在此基础上分析该工作面瓦斯涌出的构成,关键层、裂隙、顶板来压对瓦斯涌出的影响。