保护层卸压开采时空演化规律的数值模拟

为解决保护层开采过程中瓦斯抽采难题,通过数值模拟分析了保护层开采过程中的应力场和位移场的时空演化规律。研究表明,在保护层工作面推进过程中顶板位移量较大,并随着远离保护层而逐渐降低,底板位移量则几乎为0,但顶底板的地应力都得到了充分释放。距离保护层近处煤岩体在工作面推进时应力先有短暂的上升,之后迅速降低,但距离保护层较远处煤岩体没有应力升高现象。保护层回采过程中在采空区周围形成一个"回"形卸压瓦斯富集区,可以抽放大量卸压瓦斯;同时由于顶底板围岩的应力和位移时空演化关系复杂,因此瓦斯抽采钻孔不能单一布置,需要根据应力的时空演化规律合理布置,以实现瓦斯有效治理。     

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。     

近距离上保护层底板岩层钻孔瓦斯抽采技术

针对近距离上保护层工作面开采期间瓦斯涌出量大的问题,通过分析近距离上保护层底板煤岩层采动效应与被保护层瓦斯越流规律,提出近距离上保护层底板岩层钻孔瓦斯抽采技术。在资江煤矿3527保护层工作面进行了现场试验,结果表明:底板岩层钻孔最大瓦斯抽采体积分数50%,瓦斯抽采纯量0.81~2.03 m3/min,平均1.47 m3/min,并确定了底板岩层钻孔的有效抽采范围,该方法实现了保护层工作面的瓦斯防治。     

卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置研究

为了研究卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置,理论分析了下被保护层瓦斯汇集和流动特征及裂隙发育规律,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了工作面底板煤岩体应力状态分析、瓦斯抽采钻孔布置情况以及工作面推进关系与瓦斯抽采量、底板巷瓦斯抽采纯量的关系。研究得出,卸压瓦斯抽采量得到了大幅度的提升,底板巷瓦斯抽采也得到了大幅度的增长。     

下向穿层钻孔瓦斯抽采技术的应用

为了加大下保护层采煤工作面瓦斯治理力度,解决下保护层采煤工作面回采过程中瓦斯对安全生产的威胁,潘一矿在下保护层工作面开采过程中,利用在被保护层工作面底板抽采巷道内施工下向穿层钻孔抽采保护层瓦斯技术,提高了下保护层工作面的瓦斯抽采率,确保了工作面的安全生产,并对其取得的效果进行了分析总结。     

卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置研究

为了研究卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置,理论分析了下被保护层瓦斯汇集和流动特征及裂隙发育规律,采用FLAC~(3D)数值模拟软件,研究了工作面底板煤岩体应力状态分析、瓦斯抽采钻孔布置情况以及工作面推进关系与瓦斯抽采量、底板巷瓦斯抽采纯量的关系。研究得出,卸压瓦斯抽采量得到了大幅度的提升,底板巷瓦斯抽采也得到了大幅度的增长。     

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。     

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。     

下向穿层钻孔瓦斯抽采技术

潘一煤矿采用被保护层底板抽采巷道下向穿层钻孔抽采保护层工作面采空区的瓦斯,消除了保护层开采中的瓦斯问题,实现了安全高效开采的条件。     

远距离下保护层底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采研究

以桑树坪煤矿远距离下保护层11~#煤层开采保护主采3#煤层为研究对象,利用底板巷布置上向穿层网格式钻孔抽采被保护层卸压瓦斯,研究得出将3314底板瓦斯抽放巷布置在3#煤层底部法距15 m处较为合理。实际抽采数据表明,在远距离下保护层开采期间,采动影响能够有效卸压,提高被保护层的透气性,底抽巷预抽区域瓦斯预抽率约为65.6%。从卸压瓦斯抽采效果分析,11#煤层回采后保护层工作面前方10 m至保护层工作面后方60 m范围内对应的上覆3#煤层区域为最佳卸压瓦斯抽采区域。     

Numerical simulation on pressure-relief deformation characteristics of underlying coal-rock mass after upper protective layer excavation

Based on the occurrence features of Group B coal-seams at a coal mine in the Huainan coal mining area, the elasto-plastic mechanical damage constitutive functions and numerical model for the protective layer excavation were established. With the UDEC2D computer program, after the upper protective layer was mined, the stress field change trends, crack development, and expansion deformation trends of underlying coal rock seams in the floor of the working face were simulated and analyzed. The simulation results show the stress changes in coal rock seams, the evolution process of pre-cracks during the process of upper protective layer mining, the caved zone and fractured zone of the underlying coal rock seams. At the same time, the results from the actual investigation and analysis of protected layer deformation match the simulation values, which verifies the validity and accuracy of numerical simulation results. The study results have an important guiding significance for gas management in low permeability and high gas coal seams with similar mining conditions.     

良庄煤矿上保护层开采卸压机理与保护范围数值模拟研究

以良庄煤矿3213、3214上保护层工作面为工程背景,研究分析了上保护煤层开采卸压机理,为确定上保护煤层开采后下部保护范围,运用FLAC3D数值模拟软件模拟了实际地质条件下保护层开采行为。研究表明：随上保护层开采范围的增加,底板一定范围内的煤岩层在采空区内部呈现卸压,卸压区内卸压效果明显,卸压范围逐渐增大,应力分布由“V”型分布逐渐变为“U”型分布,但边界处应力集中情况逐渐增大,应力峰值与范围增加。通过综合经验法和卸压准则判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面内错3214切眼位置19 m,停采线位置内错19 m,运煤巷内错17 m。     

下分层抽采长钻孔终孔位置合理确定

针对特厚煤层高瓦斯工作面回采上分层期间出现上隅角瓦斯超限报警的情况,提出在下分层施工千米定向钻孔抽采瓦斯的技术。分析上分层回采过程中,下分层裂隙发育程度及卸压瓦斯运移规律,在某矿205工作面开展试验研究,借助理论计算和Flac 3D模拟可知,下分层塑性破坏最大距离为13 m,工作面底板以下6~9 m最适合布置千米定向钻孔。位于下分层6~9 m范围内的千米定向钻孔瓦斯抽采效果最佳,瓦斯抽采量随工作面回采呈现指数升高,最后体积分数升高至68%,达到了对特厚煤层高瓦斯工作面下分层卸压瓦斯高效率、长时间稳定抽采的目的。     

近距离下岩石保护层开采可行性研究

为有效治理深部矿井瓦斯,以平煤股份十矿己-24130底板岩石保护层工作面为研究对象,以理论计算和数值模拟的方法,从瓦斯参数、层间距、开采条件、“三带”分布、应力变化等方面对己组下岩石保护层开采的可行性进行分析。结果表明:下保护层的最大有效垂距为88 m,垮落带高度6．4 m±2．2 m,裂隙带高度28 m±6 m,开采后应力下降明显、卸压效果显著,下岩石保护层开采可行。     

An analysis on the effect of mining height and floor lithology on pressure relief of upper protective layers

In order to understand the effect of mining height and floor lithology at the upper protective layer face on the pressure relief of protected coal seams, this paper uses a numerical simulation method to model the pressure changes at protected coal seam during mining upper protective layer. The results show that the taller the mining height at the upper protective layer face, the greater the protection on protected coal seam due to the higher level of pressure release; the upper protective layer face with hard rock floor impedes the pressure release at the protected coal seam, which affects the overall effect of the pressure release at protected coal seam using the protective layer mining method.     

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。     

平煤十二矿岩层下保护层开采技术及工程实践

针对深部高突矿井存在高地应力、高瓦斯、低透气性、高地温、高岩溶水压以及高强扰动等致灾因素,以致瓦斯突出事故频繁发生的问题。在不具备常规保护层（煤层厚度≥0.8 m）开采的工程背景下,及实现上部被保护煤层增透卸压的难题,提出岩层下保护层工作面开采技术的解决思路。基于十二矿三采区主采煤层工程地条件,分析了岩层下保护层工作面采高与合理宽度的确定方法。结合矿井现有开采设备水平与技术经济因素,确定岩层下保护层开采厚度1.8 m,工作面宽度158 m;基于31040岩层下保护层工作面煤岩层揭露情况,优选出了岩层工作面破岩的关键开采设备,并设计了工作面三花眼辅助预裂爆破配合采煤机截割的破岩方式;根据己_16-17煤层瓦斯地质条件,设计了岩层下保护层瓦斯卸压效果监测方法。     

近距离煤层群保护层开采底板卸压瓦斯抽采技术研究

针对沙曲矿近距离煤层群开采中的瓦斯防治问题，综合运用理论分析、数值模拟的方法对保护层开采时底板卸压效果进行分析，结合塑性区的发育形态编写fish语言获取被保护层中渗透系数的变化规律，并用于工程实践。结果表明：在2号煤层作为保护层开采的情况下，底板卸压深度可达20～36m，大于3+4号煤层与3号煤层之间的最大垂直距离，3+4号煤在上煤层的保护范围内|随着保护层的开采，被保护层渗透性系数明显提高，最大值可以达到5.2，虽然随着工作面推进覆岩垮落，渗透性系数会有所回落，但与初始值相比依然有较大提升|在2号煤层的回采时，对底板穿层钻孔进行了瓦斯浓度实测，钻孔中瓦斯浓度最大值可达到70%，抽采效果良好。     

上解放层底板下向钻孔抽放被解放层瓦斯技术研究

开采上保护层以解放邻近有突出危险煤层时,被解放层卸压瓦斯会通过裂隙大量涌入保护层采空区和工作面,增加了保护层工作面瓦斯治理工作难度.而在条件充许的情况下,如果直接对被保护层卸压瓦斯进行抽放可达到事半功倍的效果.据此思路,根据开采煤体时底板破坏理论可计算底板最大破坏范围及深度,提出上保护层底板下向钻孔抽放被保护层卸压瓦斯的抽放方法,并给出了抽放钻孔布置的设计方案.