上保护层开采下伏煤层卸压变形及应力分布

为掌握上保护层开采过程中下伏煤层卸压破坏变形及应力分布规律,提高上保护层开采预防下伏煤层煤与瓦斯突出的效果,以河南平顶山四矿己_(16-17)煤层为对象,基于PoytingThomson模型构建煤岩体蠕变动力学模型,借助Comsol Multiphysics5.2软件对下伏煤层膨胀变形及卸压分布规律进行仿真模拟和工程验证。结果表明:随着上保护层工作面的推进(由10 m推进至60 m),下伏煤层左右两侧分别形成98.5°及114°卸压角,横向塑性变形量增至最大约为216 m;下伏煤层呈塑性变形→形变恢复的变化特征,说明上保护层的开采有助于下伏煤层瓦斯卸压通道的形成,有利于下伏煤层瓦斯的抽采。     

千米垂深保护层开采条件下沿空留巷充填技术的应用

针对平煤股份十二矿三水平千米垂深开采保护层卸压消突的技术难题,提出了己_(14)煤层作为保护层进行无煤柱开采,己_(15)、己_(16-17)煤层进行卸压解放的开采技术路线。依据现场地质条件,分析了保护层开采技术原理、卸压范围、回采工艺、沿空巷充填技术,提出了有效的综合抽采瓦斯和治理方案,研究了保护层开采关键技术和沿空留巷充填支护技术的实施措施。通过在三水平东翼5个己_(14)保护层工作面的开采,共解放安全煤量362万t,回采煤量307.7万t,平均推进71 m/月,最高推进92 m/月,实现了被保护煤层的安全、高效回采;同时,采用沿空留巷支护技术,降低了掘支费用,减少了工作面人员的投入。     

上保护层开采下伏煤岩体应力卸压规律力学分析

在分析上保护层开采卸压作用与防突机理基础上,利用弹性力学理论建立了上保护层开采下伏煤岩体应力变化力学模型,推导了底板任意一点应力分布计算方程,依据MohrCoulomb准则给出了底板煤岩体破坏判据。结合平煤十二矿己14-己15煤层联合开采工程案例,研究了开采上保护层底板裂隙发育深度与采高的关系,分析了不同上保护层采高条件下裂隙发育与突出煤层应力卸压规律。研究表明:随着底板深度的增加,下伏煤岩体卸压程度越来越低,卸压范围逐渐缩小,应力分布由浅部的"U"型逐渐过渡为深部的"V"型;当保护层己14-31010工作面设计采高为2.0 m时,下伏己15突出煤体裂隙发育,应力卸压率接近90%,保证卸压效果的同时可兼顾经济与社会效益。工程实例显示:己14上保护层开采后,下伏己15突出煤层瓦斯压力由1.78 MPa下降至0.35 MPa,降幅高达81%,与应力卸压理论计算结果相符。     

千米深井煤与瓦斯协调安全高效开采技术

以平煤股份千米深井十二矿己15-31010工作面的煤与瓦斯协调安全高效开采为例,提出并实施了极薄煤层上保护层开采技术,分别进行了上覆极薄煤层己14煤层卸压瓦斯、采空区瓦斯及己15煤层本煤层瓦斯抽采。实践结果表明:将己14、己15煤层合并计算,抽采瓦斯平均纯量8.5 m3/min,风排瓦斯平均纯量4.03 m3/min,累计风排瓦斯纯量269.5万m3,累计抽采瓦斯纯量553.44万m3,瓦斯涌出量822.94万m3,瓦斯抽采率平均达到65.94%,己15-31010工作面回风流平均瓦斯体积分数0.167%。实现了千米深井突出煤层煤与瓦斯协调安全高效开采。研究成果对类似条件矿井的瓦斯治理和煤与瓦斯协调安全高效开采有借鉴意义。     

突出煤层群保护层开采区域防突技术方案优化

针对寺家庄矿15#煤层的煤与瓦斯突出防治问题,分析了上、下保护层开采条件下被保护层的应力释放规律与膨胀变形效果,评价了寺家庄矿实施上、下保护层开采的可行性,提出了寺家庄矿保护层开采区域防突技术最优方案。研究结果表明,寺家庄矿上保护层开采条件下被保护层的卸压膨胀效果不足以消除其突出危险性;15#煤层下部的铝土岩具有一定的开采经济价值,且下保护层开采后,被保护的15#煤层得到充分卸压,被保护层瓦斯能够得到有效抽采,从而消除其突出危险性;寺家庄矿15#煤的合理区域防突技术方案为铝土矿下保护层开采结合底抽巷穿层钻孔抽采15#煤的卸压瓦斯,且保护层采高不超过4.8 m。     

弱透气性煤层受岩石下保护层开采影响卸压增透效果研究

针对平煤股份十矿大埋深弱透气性煤层下保护层开采工程,采用岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,研究了被保护层变形规律、应力演化过程、卸压保护范围及瓦斯抽采效果。结果表明,随着保护层工作面的推进,其上覆煤岩体同时发生拉伸应力和剪应力破坏,被保护层大量的裂隙扩展发育,孔隙率大幅提高;随着保护层的开采,被保护层呈现出压缩和膨胀的变化规律,位于保护层采空区中部上方的被保护层变形最大,变形膨胀率最大,因此有利于煤层的卸压增透和瓦斯的抽放;岩石保护层开采后对被保护煤层沿倾斜方向预计保护范围卸压角为78°。工业试验显示:在己_15-16-24130岩石下保护层开采后,上覆己_15-16煤层变形膨胀率在0.62%~1.54%,己₁₇煤层变形膨胀率在1.71%~3.67%;在预计保护范围线位置测定的煤层最大综合残余瓦斯压力为0.42 MPa,最大残余瓦斯含量为4.210 7 m³/t。证明预计保护范围是可靠的,为平煤十矿下保护层开采区域瓦斯治理技术的推广应用提供了可靠的依据。     

极薄保护层开采的保护效果研究

为考察极薄保护层开采后对被保护层的保护效果,以平煤十二矿己15突出煤层为研究对象,拟将其上部9~12 m厚度0.3~1.1 m的己14极薄煤层作为保护层开采,以达到己15被保护层区域消突的目的。通过对被保护层区域防突效果检验指标的现场测试、被保护层工作面瓦斯抽采效果及其开采过程中瓦斯涌出规律分析3种方法,综合评价了保护层开采对被保护层的保护效果。被保护层瓦斯抽采效果表明,保护层工作面开采过程中,被保护区域最大日瓦斯抽采量增加17.61倍,月瓦斯抽采量增加了11.48倍,风排瓦斯量增加了2.74倍;区域防突效果检验效果表明,瓦斯残存量在1.91~7.37 m~3/t范围内;瓦斯涌出规律表明:被保护层充分卸压之后,己15开采过程中,测得瓦斯涌出量降为6.5 m~3/min。综合评价说明,己14煤层31010工作面开采对己15-31010被保护层工作面起到了区域消突的保护作用。     

千米深井保护层开采煤层卸压效果分析

平顶山天安煤业股份有限公司十二矿己15-31010工作面垂深为1 015～1 130 m,为煤与瓦斯突出煤层,采用开采解放层己14煤层预抽瓦斯是解决己15煤层煤与瓦斯突出的关键技术,因此,针对深部保护层开采过程中下部煤层的卸压效果需进行深入分析。首先根据实际地质条件建立了三维数值模型,计算了己14煤开采过程中下部己15煤层的应力分布。计算结果显示,下部己15煤层在上部保护层开采过程中压力先升高后降低,在采面通过40 m后煤层压力降低至小于1 MPa;但在采空区外侧集中应力区,最大应力值高达42 MPa。现场监测数据显示,采空区下方煤层巷道瓦斯浓度显著增大,但外侧煤层巷道瓦斯浓度变化较小,在上方采面通过40 m后,巷道变形趋于稳定,煤层得到充分卸压。综合数值计算结果和现场监测数据可知,深部近距离保护层开采可以显著降低下部煤层压力,释放煤层瓦斯,但由于集中应力的影响,难以释放位于采空区边缘的下部煤层瓦斯。     

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。     

近距离上保护层开采下伏煤岩体卸压效应研究

为了研究近距离上保护层开采的卸压效果,以平煤五矿己15-23190工作面为工程背景,运用FLAC3D软件模拟近距离上保护层开采后被保护层的应力分布和变形特征,模拟结果表明,上保护层开采后,被保护层充分卸压时其垂直应力降至原岩应力的25%,最大膨胀变形率为1.05%,卸压效果明显。工程实践表明,近距离上保护层煤巷掘进后,被保护层的瓦斯压力和瓦斯含量显著下降,煤层透气性系数明显增加,有效消除被保护层的突出危险性。