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%。     

李雅庄煤矿采场上覆岩层“三带”高度研究

准确划分采场上覆岩层"三带"高度,是合理设计顶板高位钻孔终孔层位的关键。采用理论计算、数值模拟和现场考察等方法,对李雅庄煤矿2#煤层综采工作面回采过程中采场上覆岩层"三带"高度和运移规律进行了分析。研究表明:2#煤层上覆岩层冒落带高度为8.6~11.0 m,裂隙带高度为30~35 m,高位钻孔终孔层位设计施工在2#煤层顶板11~30 m范围内较合适。     

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。     

斜沟煤矿高位钻孔合理终孔位置模拟与试验研究

为改善斜沟煤矿18205工作面高位钻孔的瓦斯抽采效果,采用FLAC~(3D)软件模拟和现场试验对采空区顶板岩层渗透率的演化规律进行分析,并以此作为高位钻孔终孔位置的确定依据。结果表明:工作面推进120 m前,采空区顶板岩层纵向卸压区范围随着工作面的推进不断增大;工作面推进120 m后,采空区顶板岩层纵向卸压区范围变化越来越小,开始沿远离工作面方向转移;当高位钻孔的终孔层位选在距煤层顶板16~18 m时,采空区瓦斯抽采效果较为显著;高位钻孔终孔位置布置在17 m后,上隅角瓦斯体积分数基本维持在0.6%左右,回风流瓦斯体积分数大约为0.42%。     

近距离煤层群保护层开采顶板走向高位钻孔瓦斯治理技术研究

为了有效提高谢桥煤矿1242(1)工作面的瓦斯治理水平,采用实验室相似模拟的方法,分析了1242(1)工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律,判定11-2煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围,获取了钻孔法距参数的最佳范围,为顶板走向高位钻孔的设计提供参考依据。现场考察表明,顶板走向高位钻孔的瓦斯抽采浓度平均达到31.1%,平均抽采量为14.85m3/min,达到理想抽采效果,保证了综采工作面安全高效生产。     

大倾角突出煤层群高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术研究

基于大倾角突出煤层群顶板岩层瓦斯抽采困难问题和保护层工作面回风隅角瓦斯超限问题,以湖南省蛇形山煤矿2344工作面为例,根据矿山压力及其控制理论,确定了保护层工作面顶板"三带"的合理高度,初步试验了大倾角突出煤层群岩层高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术。揭示了保护层工作面顶板岩层中采用高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术的区别,其中高位钻孔抽采的瓦斯浓度可达99. 9%,高位钻孔优于高位巷,同时,在工作面顶板岩层中采用钻场钻孔的布置方式,不影响保护层工作面的正常生产,改变了大倾角煤层群保护层工作面瓦斯在本煤层抽采的模式。     

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。     

基于示踪气体法的覆岩“竖三带”测定

根据煤矿井下覆岩"竖三带"测定技术现状,提出利用示踪气体法测定覆岩"竖三带"技术,利用SF_6作为示踪气体;分析了高位钻孔在煤层开采过程中的破坏过程和利用SF_6测定覆岩"竖三带"的技术原理,设计了多钻孔对比测定"竖三带"的试验方案。现场试验结果表明,通过1~#～4~#钻孔测定断裂带上下边界基本相差不大,15203工作面的覆岩断裂带范围为35.8～71.2 m,断裂带发育完全的层位为54.1～58.5 m,弯曲下沉带范围大于71.2 m岩层,垮落带范围为小于35.8m岩层,断裂带的准确测定为高位钻孔设计提供了指导,减少钻孔工程量,提高煤矿生产效率。     

工作面高位抽放钻孔参数选择分析研究

由于受火成岩的侵入,玉华煤矿9365工作面煤层顶板中瓦斯含量相对较高,需采用顶板走向高抽钻孔抽放顶板裂隙带瓦斯。根据高位抽放经验,设计布置抽放钻孔,根据现场对钻场距工作面的实际位置(平距、垂距)、高位瓦斯抽放瓦斯浓度以及抽放的实际流量的测试数据,分析得出9365工作面高位抽放钻孔终孔的最佳位置在煤层以上7～17 m,高位抽放的最佳水平距离应是钻场距工作面煤壁线15～45 m处。     

“三软”煤层上覆岩层移动破坏规律相似模拟

针对明业煤矿3#煤层采煤工作面具体地质条件,采用相似材料模型实验,分析研究了"三软"煤层上覆岩层的移动破坏规律,为回采工作面管理提供科学依据,结果表明:"三软"煤层的上覆岩层具有从下往上分层破坏的特性,直接顶的初次垮落步距为12 m,老顶初次来压步距23 m,周期来压步距为10~14 m;上覆岩层的不规则垮落带为24 m,规则垮落带在距煤层顶板24~36 m的范围,在距煤层顶板36 m处形成了稳定的老顶结构;开采完成后,上覆岩层最大下沉量为5.043 m,下沉系数为0.84。     

大倾角煤层覆岩断裂高度影响因素的数值分析

 基于对大倾角煤层开采特点的分析,认为在工作面长度一定的条件下,煤层倾角、顶板岩层强度、开采高度是大倾角煤层开采顶板断裂高度的主要影响因素。对上述影响因素进行正交试验,对模拟结果进行单因素极差分析与多元线性回归分析,得出各因素对断裂高度的影响程度,依次为：岩层倾角>顶板岩层强度>采煤高度,得出大倾角煤层开采顶板断裂高度的回归公式。最后用回归公式与相似模拟实验数据进行对比验证,表明数值模拟结果的合理性。     

基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法.工程实测和理论研究结果表明：覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度,只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时,该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙,且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙.关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按（7～10）M（M为煤层采厚）估算.当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时,导水裂隙将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度;当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以外时,导水裂隙将发育至临界高度（7～10）M上方最近的关键层底部,导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度.上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别,其可靠性得到了工程实测结果的验证。     

范各庄矿近距离煤层上行开采矿压显现规律与可行性研究

以开滦集团范各庄煤矿近距离煤层的上行开采为背景,综合运用数值模拟、经验类比、概率积分等方法,研究5号煤层和7号煤层上行开采过程中矿压显现和岩层移动规律,分析了近距离煤层间相互影响作用,并对上行开采的可行性进行了评估。研究表明:7号煤层开采过程中,采空区上方出现应力卸压区,顶板下沉量不断增大形成顶板下沉区,5号煤层受7号煤层采动影响下沉3.1m;与7号煤层开采相比,5号煤层开采过程中顶板应力卸压区范围和顶板下沉量都有所增加,且7号煤层采空区边界应力集中出现向5号煤层采空区边界转移的现象;上层煤层处于下层煤层垮落带上方15m以外,处于导水裂隙带的上位岩层平衡区域,具备上行开采的条件。在研究结果的基础上给出5号煤层2551N工作面合理的布置方案,具有一定的理论意义和工程价值。     

侏罗系特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育特征研究

以金鸡滩煤矿117综放开采工作面为研究对象，通过光纤监测、采后钻孔冲洗液漏失量观测与拟合计算相结合的方法，研究陕北侏罗系特厚煤层综放开采所诱发顶板覆岩导水裂隙带动态发育规律特征，构建导水裂隙带最大高度预测模型。现场监测显示117工作面综放开采导水裂隙带最大高度220.82～223.75m，平均裂采比20.21，预测模型计算结果与其平均相对误差2.96%。研究结果能够进一步为陕北地区煤矿特厚煤层安全开采防治顶板水害提供科学借鉴。     

采场破碎煤体注浆加固渗流规律研究

为了解决日益增多的煤矿中煤壁片帮事故，用化学树脂浆进行注浆煤体加固．在采场煤体破碎机理研究基础上以支承压力峰值点为分界点将采场注浆区分为塑性区和弹性区两个渗透物理模型来对煤体注浆加固渗流规律进行研究．把塑性区破碎煤体作为各向同性介质来建立注浆物理模型，基于塑性区渗透物理模型、质量守恒和达西定律建立了塑性区注浆渗流数学模型，通过插值方法对模型进行了解算，得到了塑性区浆液渗流规律，并在现场进行了破碎煤壁注浆加固试验和注浆渗流规律解算，结果表明通过化学树脂浆进行塑性区煤体注浆加固是可行的．     

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明:大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80~192.12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈"台阶"型。     

不整合地层下开采防水煤柱合理宽度的研究

开采煤层与富含水的第四系呈角度不整合接触。煤层开采时,为防止覆岩导水裂隙带在侧面与第四系连通,需留设一定宽度的横向防水煤柱。用数值模拟方法对防水煤柱留设宽度取经验值时,导水裂隙带的发育特征进行了分析。数值结果表明,经验值留设宽度下,导水裂隙带已经在侧面方向与不整合面接触。假设工作面两侧导水裂隙带的形状为半圆弧,对竖向防水煤柱的经验公式进行修正,提出横向防水煤柱留设宽度的计算公式,为不整合地层下开采横向防水煤柱的留设提供了依据。在计算出的横向防水煤柱留设宽度下,通过控制工作面宽度,使导水裂隙带在竖直方向上不与第四系连通。     

采空区下煤层开采覆岩破坏规律数值模拟

基于古书院矿煤层的实际地质资料,利用RFPA2D分析软件对采空区下15#煤层开采覆岩破坏进行了模拟,观察开采后15#煤层坚硬顶板的裂隙发育状况,研究采动覆岩中三带的发育高度,并对结果从采场上覆岩层移动破坏规律、15#煤层顶板位移及应力变化特征方面进行了分析。通过对15#煤层三带分布研究,编制矿井冒落带和导水裂隙带高度的等值线图,确定15#煤层的导水裂隙带最大发育高度,预测在15#煤层回采过程中,9#煤层采空区积水下渗的可能性。根据裂隙发育情况,结合顶板岩性,为15#煤建立抽放系统、治理瓦斯的论证提供依据。     

大倾角煤层覆岩断裂带高度影响因素的数值分析

基于对大倾角煤层开采特点的分析,认为在工作面长度一定的条件下,煤层倾角、顶板岩层强度、开采高度是大倾角煤层开采顶板断裂带高度的主要影响因素。对上述影响因素进行正交试验,对模拟结果进行单因素极差分析与多元线性回归分析,得出各因素对断裂带高度的影响程度,依次为:岩层倾角>顶板岩层强度>采煤高度,得出大倾角煤层开采顶板断裂带高度的回归公式。最后用回归公式与相似模拟实验数据进行对比验证,表明数值模拟结果的正确性。