厚煤层采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术

针对崔家沟煤矿2303综放工作面瓦斯涌出量高易造成瓦斯超限的安全难题,应用采动裂隙椭抛带理论,在分析特厚煤层综放开采覆岩破坏特征的基础上,采用物理相似模拟和UDEC数值模拟试验研究了采空区覆岩"三带"演化规律,建立了采动裂隙椭抛带数学模型,确定出了覆岩裂隙瓦斯抽采有利区,提出了低-中-高位钻孔相组合的瓦斯抽采方案,并进行了工程应用。结果表明:2303综放工作面垮落带高度为33 m,断裂带高度为110 m,距离煤层底板35 m以上55 m以下与外椭抛面交集的范围为瓦斯抽采的有利区域;通过低-中-高位钻孔抽采方案的实施,上隅角瓦斯浓度小于0.6%,回风巷瓦斯浓度小于0.5%,有力保障了工作面的安全高效回采。     

“三软”煤层综采工作面覆岩运移和裂隙演化规律实验研究

针对“三软”煤层综采工作面卸压瓦斯治理问题，采用物理相似模拟和UDEC数值模拟实验研究了工作面受采动影响后采场覆岩运移规律。同时，采用现场仰斜注水钻孔法和高位钻孔瓦斯抽采浓度监测法对实验结果进行验证。结果表明：在相似材料模拟实验中，对观测面刷白后，能更加清晰地观测到裂隙发育情况；相似材料模拟和UDEC模拟结果基本吻合，垮落带和断裂带最大高度分别为12和38 m，则高位钻孔最佳布孔垂距为20~26 m；现场仰斜注水表明垮落带和断裂带最大高度分别为10和39 m；现场高位钻孔瓦斯抽采浓度监测结果表明，1-2和1-3高位钻孔瓦斯抽采浓度最大，其垂距分别为24.4和20.5 m，验证了物理相似模拟和数值模拟实验方法和结果的正确性和科学性。     

综采工作面复合顶板采动裂隙发育规律数值模拟

基于古书院矿15#煤层152303工作面复合顶板采动裂隙的基础条件,采用RFPA模拟软件,模拟受采动影响工作面覆岩的变化规律,对工作面开采的垮落步距、卸压角等进行分析,研究覆岩最终垮落形态,结合理论计算确定"三带"高度。在对综采工作面煤层瓦斯赋存规律和瓦斯涌出来源分析的基础上,提出了高位钻孔抽采瓦斯的方法,最终确定综采工作面瓦斯治理技术措施及钻孔布置参数。     

高瓦斯综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究

为改善成庄矿采空区高位钻孔瓦斯抽采效果,采用理论计算和数值模拟的方法研究采动裂隙演化规律,分析顶板裂隙发育范围,通过在裂隙带范围布置不同层位的高位钻孔模拟研究了其瓦斯抽采效果和瓦斯治理效果,得出了高位钻孔最佳布置层位。结果表明:顶板岩层垮落、裂隙发育贯通整体呈拱形分布,裂隙带范围为21.90～62.54 m;将高位钻孔布置在距煤层顶板45 m的位置,既可以抽采到高浓度瓦斯,又能对工作面上隅角瓦斯起到良好的治理作用;现场施工定向高位钻孔后,瓦斯抽采浓度、纯量可以在较长的一段推进度内保持较高水平,工作面回采期间,上隅角最大瓦斯体积分数为0.69%,保证了安全生产。     

低瓦斯煤层高强开采覆岩卸压瓦斯抽采合理布置研究

针对低瓦斯厚煤层高强综放开采卸压瓦斯治理问题,采用物理模拟、数值分析和现场监测方法,研究工作面开采初期和稳定时期覆岩结构演化及裂隙场分布特征,揭示了考虑采动裂隙场的卸压瓦斯场分布特征;依据研究获得采动瓦斯聚集区分布,提出采用高位定向长钻孔治理采空区卸压瓦斯,并进行了效果检验。结果表明:工作面推进至135 m后,覆岩结构和裂隙演化基本稳定,垮落带发育高度为25～27 m,裂隙带发育高度为75～95 m,弯曲下沉带发育高度达到110 m左右;采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷25～55 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;高位定向长钻孔瓦斯抽采技术实施后,抽采平均浓度为5.8%,平均流量为0.71m~3/min,工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理取得较好效果,为类似条件下的卸压瓦斯治理提供参考。     

急倾斜复合煤层采场裂隙演化规律及钻孔参数优化研究

为解决赵家坝煤矿9号急倾斜煤层中1944工作面上隅角瓦斯超限的问题,通过数值模拟的方法对该矿覆岩"竖三带"以及裂隙演化规律进行了研究,依据数值模拟结果对瓦斯抽采钻孔布置方案进行优化,并考察了优化后的瓦斯抽采效果。结果表明,冒落带的最大高度为12.5 m,裂隙带最大高度为38.1 m。采用顶板斜交高位钻孔的方法来进行瓦斯抽放,通过结合模拟结果对高位钻孔布置进行优化。抽放结果表明,随着时间的延长,瓦斯抽采浓度增大,提高了瓦斯抽采效果,减少上隅角瓦斯超限风险。     

高位钻孔抽放技术在许疃煤矿的应用

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,以及有效提高高位钻孔瓦斯抽采效果的重要性,应用RFPA2D软件数值模拟许疃煤矿3235工作面顶板垮落情况,初步分析了"竖三带"的煤层法向分布范围,确定了32煤顶板走向高位钻孔裂隙带高度,优化了布置钻场钻孔设计参数,提高了工作面上隅角的瓦斯抽放率,改善了工作面的安全生产状况。     

倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术研究与工程实践

为了研究倾斜煤层条件下,采动覆岩裂隙分布规律与卸压瓦斯抽采技术,采用理论分析和数值模拟的方法,对采场覆岩应力、位移以及裂隙分布情况进行了分析,并依据研究结果,对试验工作面高位导流钻孔布置参数进行了优化设计。结果表明:工作面上端头顶板卸压区域范围大于下端头区域,关键层的卸压段靠近工作面上部,覆岩垮落破断后,工作面上部垮落岩体位移明显大于下部;裂隙网络中,下部冒落岩体裂隙处于相对闭合状态,沿工作面向上,裂隙开度逐渐增大;卸压瓦斯运移通道在倾斜方向上具有不对称性;沿工作面回风巷侧冒落带轮廓线布置高位导流钻孔,并配合相邻钻场之间的有效搭接抽采可使抽采效果保持稳定;单一钻孔全生命周期可分为远距离、有效和近距离抽采3个阶段,随着钻孔层位的增加,抽采效果逐渐变优,远距离抽采阶段长度减小,有效抽采阶段长度增加。实践结果表明,瓦斯抽采效果良好,验证了依据此方法布置高位导流钻孔的合理性。     

基于PFC的覆岩破坏高度数值模拟及实测分析

为了直观、清晰地掌握煤层开采覆岩裂隙发育演化情况,确定覆岩破坏高度,归纳相对应的演化规律,以伊犁矿区为试验研究对象,采用离散元颗粒流软件PFC~(3D)建立数值模拟三维模型,依据现场测得的宏观参数,模拟工作面推进160 m时各煤层采高范围覆岩破坏情况,并采用钻孔实时彩色成像技术对PFC~(3D)模拟情况进行全面验证。研究结果表明:煤层采高与上覆岩层垮落强度呈正相关关系,煤层采高越大,上覆岩层垮落高度越大,上覆岩层垮落发生时期基本相同,垮落强度有所增加;PFC~(3D)模拟显示覆岩内部裂隙以竖向裂隙为主,其裂缝倾角达到50°以上,而且具有高角度直逼垂直岩层层面裂隙的发育特点。     

大采高工作面两带高度分析研究

以山西某矿150403工作面地质条件为背景,运用数值模拟研究了大采高工作面上覆岩层断裂移动特征、裂隙发展、"两带"高度等。研究结果表明:大采高工作面直接顶分层垮落,直接顶第一分层、第二分层垮落后的冒落矸石不能充满采空区,导致直接顶高度增加;采空区上覆岩层的下沉具有明显的滞后性;15#煤层的冒落和裂隙带高度分别为20m和30m,高位钻孔终孔高度在30m抽放效果较好。     

近距离高瓦斯煤层群采动裂隙带瓦斯抽采技术

为了解决沙曲矿近距离高瓦斯煤层群开采过程中瓦斯超限这一难题,运用理论分析和数值分析相结合的方法对沙曲矿南翼4号煤开采采动裂隙演化规律进行了分析,确定了高位裂隙钻孔组的合理布置位置。结果表明:采空区垮落带和裂隙带高度分别为8、36.5 m,贯通裂隙带距工作面顶板垂高8~23 m,非贯通裂隙带距工作面顶板垂高23~42 m,工作面上方22 m左右裂隙分布密集且覆岩整体结构相对稳定,将钻孔延深至该区域能有效提高瓦斯抽采的浓度、抽采量和稳定性。现场实践表明:利用DDR-1200型千米定向钻机,将钻孔布置在距工作面上方22 m处时,瓦斯抽采效果明显,平均瓦斯抽采体积分数90.68%,平均瓦斯抽采纯量达11.58 m3/min。     

高瓦斯矿井综放工作面综合抽采优化研究

为解决某高瓦斯矿井综放工作面瓦斯抽采困难、瓦斯严重超限难题,采用数值模拟和理论分析得到采动覆岩裂隙演化和卸压瓦斯运移规律,提出本煤层抽采和裂隙带抽采的综合、协同抽采技术。结果表明:回采作用下,覆岩裂隙垮落-压实的变化使得在裂隙带中易形成瓦斯富集;提出的综合治理技术可以实现对本煤层和采场裂隙带内瓦斯抽放,工作面实测抽采瓦斯纯量最大为6.15m~3/min,抽采瓦斯浓度最大为49. 9%,满足安全生产要求。     

寺家庄矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究

为研究寺家庄15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。依据矿业控制理论，得到垮落带高度为14.37~17.25 m，裂隙带高度为54.8~72.6 m。基于UDEC程序，模拟得到k2石灰岩底板距离煤层顶板18 m为跨落带高度，k4石灰岩底板距离煤层顶板66 m为裂隙带高度。根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m，裂隙带高度为64 m。理论推导、数值模拟和模型实验得到覆岩“三带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m，裂隙带高度66 m，为高抽巷层位选取提供了一定的理论指导。     

采空区上覆岩层裂隙发育及瓦斯流动规律分析

针对煤矿采空区上覆岩层裂隙发育,采动裂隙瓦斯流动规律等对合理确定高位钻孔抽采区域的重要性,对采空区上覆岩层的裂隙发育规律和采动裂隙场的瓦斯流动规律进行分析,从采空区覆岩"竖三带"裂隙分布特征、采动裂隙"O"形圈以及U型通风采动裂隙瓦斯流动规律出发,找出采空区对工作面上隅角瓦斯超限影响较大的区域,得出高位钻孔的理论最佳抽采区域大致为工作面后方50 m区域,这个区域的覆岩裂隙发育情况是高位钻孔层位优化设计的关键,为高位钻孔抽采参数优化提供了理论基础。     

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。     

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。     

高瓦斯倾斜煤层综放工作面抽采瓦斯技术

为解决工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题,针对硫磺沟煤矿(4-5)04工作面实际情况,采用物理相似模拟方法,对工作面采动覆岩"三带"分布特征及规律开展研究,结合工作面实际情况设计高位钻孔抽采上隅角瓦斯,并对抽采瓦斯效果开展实时观测与分析。研究结果表明:(4-5)04工作面上隅角处的垮落角为71°左右且顶板裂隙较为发育;该工作面垮落带高度为25~26.8 m,断裂带高度为109.2~110 m,初次来压步距为36 m,周期来压步距平均为16.6 m,切眼附近裂隙区宽度约为40 m,回风巷及进风巷附近约30 m,工作面附近约20~40 m;高位钻孔抽采浓度为19.85%~23%,抽采过程中上隅角及工作面的瓦斯浓度分别为0.15%~0.48%及0.08%~0.45%,避免了回采期间上隅角瓦斯超限,保证工作面安全高效回采。     

复合顶板厚煤层综采工作面“三带”动态分布研究

煤层开采过后上覆岩层中形成"上三带",了解复合顶板厚煤层覆岩的三带分布状况对瓦斯抽采、覆岩运动、隔水开采等具有重要的意义。采用理论计算、现场实测分析和UDEC数值模拟等方法,确定余吾煤业S1202工作面覆岩的三带分布状况,为其瓦斯抽采提供理论依据。研究表明:在垂直方向上,垮落带与裂隙带的分界点在29.5~33.4 m之间,裂隙带的高度(垮落带以上)在60~64 m之间。     

RFPA~(2D)数值模拟在高位钻孔参数优化中的应用

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,以及有效提高高位钻孔瓦斯抽采效果的重要性,应用RFPA2D软件数值模拟祁南煤矿714工作面顶板垮落情况,初步分析了"竖三带"的煤层法向分布范围,并结合经验公式的计算结果,综合判定距71煤层顶板上方18.4～49.0m的岩层区域为裂隙带,高位钻孔法距参数的取值范围优化选择为18.0～34.0m。现场应用表明,高位钻孔的法距参数施工控制在20.0～35.0m时,钻孔抽采瓦斯体积分数均在30%以上,最大为53.2%。同时,高位钻孔的平均瓦斯抽采量为7.32m3/min,占工作面总瓦斯涌出量的60.6%,远高于采空区埋管技术的瓦斯抽采量,并且工作面的平均瓦斯抽采率提高到60.0%。     

申家庄煤矿瓦斯抽放钻孔合理布置层位研究

瓦斯抽放钻孔合理深度的研究,可以更加有效地抽采瓦斯。通过对申家庄煤矿2303工作面上覆岩"三带"进行分析,得出该矿2303工作面采空区垮落带高度为9.4~13.8 m,裂隙带高度为37.09~73.4 m,平均55.25 m。通过对U型通风方式下采空区瓦斯运移进行模拟,得出在距采面垂高45~60 m的范围内,是瓦斯富集区。综合分析上覆岩层三带高度和采空区瓦斯运移规律,得出2303工作面瓦斯抽放钻孔终孔位置处于采空区上方45~60 m范围裂隙带内。