无煤柱开采采空区瓦斯分布特征及抽采技术研究与应用

平煤集团为煤层群开采条件，为了更好地开展瓦斯治理工作，采用FLUENT数值分析软件模拟在无煤柱开采条件下，抽采前后戊8煤层采空区瓦斯分布特征，从而为高抽巷抽采钻孔的布置提供参考。研究表明：随着回风横贯距离工作面距离的增加，回风隅角处的瓦斯体积分数逐渐减小，且根据数值模拟结果及现场实际情况，综合确定高抽巷抽采钻孔应布置在垂高14.75倍处最佳，抽采后采空区体积分数明显减小；优化设计了高位瓦斯抽采钻孔的布置，分析钻孔抽采效果，发现高位裂隙带瓦斯浓度基本稳定在23%～45%，瓦斯抽采纯量稳定在12～18 m³/min。表明高位裂隙带瓦斯抽采浓度和纯量基本稳定。     

近距离高瓦斯煤层群倾向高抽巷抽采卸压瓦斯布置优化

倾向高抽巷作为一种治理卸压瓦斯的重要方法,其布置参数与抽采效果的匹配关系需要合理确定。针对典型的近距离高瓦斯煤层群开采条件,对采空区上覆岩层裂隙演化规律进行了研究,揭示了倾向高抽巷最佳布置位置在竖直方向上15倍采高、水平方向深入工作面约35 m处。据此,在24202工作面回风巷,以40°仰角起坡且垂直于回风巷轴线向顶板方向施工60 m,再沿倾向水平施工8 m来布置高抽巷。实际治理效果表明,单个倾向高抽巷的抽采半径为55~60 m,开采过程中有4~5个高抽巷处于瓦斯抽采活跃期,有效抽采总距离为500 m,平均抽采瓦斯总量25.22m3/min,占抽采总量的62.24%,实现了卸压瓦斯高效治理。     

常村矿S3-9工作面高位抽采钻孔技术研究与应用

以潞安环能股份公司常村煤矿S3-9综放工作面为研究对象,针对高瓦斯工作面高强度开采条件下瓦斯经常超限的问题,采用理论分析和现场观测的方法确定裂隙带高度和高位抽采钻孔设计参数,并进行现场效果检测,结果表明:该工作面采空区冒落带高度为21.3 m,裂隙带范围为21.3~41.2 m;确定回风巷高位钻孔终孔位置为:水平方向距回风巷里帮30.8~38.1 m,垂直方向距煤层顶板19.8~39.6 m;可提高回风巷高位钻孔的抽采负压,并适当扩大钻孔直径,以增加钻孔抽采瓦斯量。     

采煤工作面瓦斯抽采技术研究

针对矿井开采的2号煤层瓦斯涌出量较大的问题,在分析瓦斯来源的基础上,提出综合使用本煤层钻孔、裂隙瓦斯钻孔、顶板瓦斯抽采钻孔以及大孔径钻孔等对本煤层瓦斯、临近层瓦斯以及采空区瓦斯涌出进行治理。依据回采工作面煤层赋存情况以及采面开采情况,对各类瓦斯抽采钻孔布置方案进行设计。现场应用后,采面各类型瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采量可达到8.6 m³/min,回风巷、回风上隅角等位置瓦斯浓度均在安全范围内,可为采面煤炭安全、高效回采创造良好条件。     

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。     

高瓦斯厚煤层覆岩裂隙瓦斯分布规律及抽放研究

为了研究某煤矿厚煤层综放面开采覆岩裂隙演化和瓦斯运移规律,用理论分析和现场工程实践相结合的方法,在某矿进行了煤与瓦斯共采试验。研究得出,经过几次周期来压后,采空区的中部裂隙被压实,形成了通裂隙发育的“O”形圈;经过瓦斯抽采效果分析得出,在距离顶板大约40 m位置处、水平距回风巷33~43 m位置处,是布置抽采钻孔最合适的区域;采用顶板裂隙带钻孔+瓦斯尾巷抽采技术,可有效解决工作面回风巷上隅角瓦斯超限的问题。研究为实现煤与瓦斯共采提供了一定的技术支持。     

高河煤矿高抽巷合理位置的选择

通过对高河煤矿E1305工作面布置高抽巷及高位裂隙带钻孔进行瓦斯抽放试验,结果表明顶板岩石水平巷道合理层位的选择,对于采空区瓦斯的抽放效果起着决定性的作用。高抽巷应布置在顶板裂隙的中下部采动裂隙比较发育的范围内,才能达到理想效果。针对高河煤矿3号煤层瓦斯抽采现状,应当将高抽巷布置在3号煤层顶板上方35~45 m层位处,距回风巷水平距离为65~86 m处。高抽巷的合理布置可以有效提高瓦斯抽采利用效率,对消除高河煤矿瓦斯突出、保障矿井安全生产提供了必要的技术支持。为类似矿井瓦斯抽采提供了参考依据。     

深井煤层群首采层Y型通风工作面采空区卸压瓦斯抽采与综合治理研究

以朱集煤矿1111(1)工作面为例,针对深井高瓦斯低透气性煤层群首采层开采卸压瓦斯治理难题,将Y型通风工作面采空区瓦斯运移规律与采空区内部空隙储存卸压瓦斯的优势相结合,提出并实施了强化留巷墙体封闭和Y型通风工作面留巷段采空区卸压瓦斯抽采技术,结合地面钻井抽采采动上部卸压煤层瓦斯,实现了深井煤层群首采层工作面的安全高效回采。1111(1)工作面回采期间,绝对瓦斯涌出量最大72.39 m3/min,平均为43.64 m3/min,在工作面风量2290~2700 m3/min条件下,回风流瓦斯体积分数0.6%以下,平均瓦斯抽采量34.27 m3/min,其中埋管抽采瓦斯纯量平均为21.94 m3/min,占瓦斯抽采总量的64%,工作面回采期间瓦斯平均抽采率为78%,研究成果为今后类似深井煤层群首采层开采的卸压瓦斯抽采和治理提供技术指导。     

工作面分段高位钻孔瓦斯抽采技术应用

为解决工作面回风隅角及回风巷瓦斯超限问题,结合矿井现有技术装备以及煤层赋存不稳定的因素,优选采用分段施工高位钻孔的方法进行采空区和邻近层的瓦斯抽采。高位钻孔的最佳布置层位为裂隙带的中上部。高位钻孔抽采瓦斯浓度高达60%以上、抽采纯量达到1. 5 m3/min以上、且能保证抽采的可持续性。     

1905S工作面上隅角瓦斯综合治理技术研究及应用

为解决福城煤矿1905S工作面上隅角瓦斯超限问题,通过分源预测法进行工作面瓦斯涌出量预测,采用高位裂隙钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管抽采相结合的方法来进行瓦斯治理。结果表明:高位钻孔最佳抽采位置为距离煤层顶板上方15~30 m,终孔位置内错工作面回风巷20~30 m;工作面上隅角瓦斯浓度日平均值降到0.3%~0.45%,工作面回风流瓦斯浓度降到0.08%~0.28%。     

红菱煤矿开采保护层后煤岩体采动裂隙分布的数值模拟研究

以沈煤集团红菱煤矿保护层开采为工程实例,通过开采11#煤层,对存在煤与瓦斯突出的7#煤层和12#煤层进行卸压,研究保护层开采后采动裂隙分布规律。通过FLAC3D模拟采动后应力场和位移场变化情况、塑性区分布范围,分析了保护层开采后煤岩体采动裂隙的分布规律。     

沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究

为了研究沟谷地形条件下薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂缝发育规律,以神府矿区为研究基地,对安山煤矿5-2煤开采工作面的覆岩采动裂缝发育特征进行分析,建立弱强度覆盖层作用下的基本顶受力模型,即“非均布载荷梁”结构模型。通过对非均布载荷梁结构的力学分析,推导基岩承载结构稳定性的判别条件,确定了基本顶两端压力、剪力及垮距等参数的计算公式,揭示了弱强度覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距的影响规律。实践表明,依据非均布载荷梁模型确定的覆岩采动裂缝间距与周期来压步距近似相等|覆岩采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征,工作面上方地表附近塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育,采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝。     

基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

根据相似模型试验,探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性,分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现:视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程,电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态,提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏"三带"的标准。在浅埋深煤层的采动过程中,上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展,但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性,薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育,水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层,就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。     

不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究

煤岩的采动力学行为与常规的煤岩材料力学行为有本质不同,传统的岩石力学实验研究没能体现开采方式和工程扰动的真实影响。深部煤与瓦斯共采实践中,不同开采方式扰动下的煤岩应力场、裂隙场和渗流场行为有显著差异,但煤岩采动力学行为特征尚缺乏科学的、定量化的分析和表达。通过开展不同开采方式下煤岩采动力学实验,分析3种典型开采方式下煤岩采动力学行为、采动裂隙展布及增透率演化规律,探索不同开采方式下煤岩真实采动应力场、裂隙场和渗流场的特征差异。研究表明:不同开采方式产生不同的采动应力场,并导致不同的煤岩裂隙场和渗流场行为特征差异;不同开采方式条件下煤岩峰值应力、峰值应力对应轴向应变和环向应变按照无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采的顺序降低,而体积应变绝对值则依次升高;不同开采方式下煤岩采动裂隙尺度分维D及煤层增透率激增点与工作面之间的距离(L_(rise))均按照保护层开采、无煤柱开采、放顶煤开采的顺序依次下降,确定煤层L_(rise)范围和增透率空间分布可为煤瓦斯共采工程提供理论指导。     

隔水层采动破坏裂隙的闭合机理研究及工程应用

煤层顶底板的采动裂隙是煤矿一系列灾害事故发生的根源,对其发育及演化规律的研究对各类灾害事故的防治具有重要意义。论文借助现场超声波成像技术、室内岩石矿物成分分析以及岩石膨胀性实验等手段,分析了影响煤层顶板采动裂隙闭合的相关因素,揭示了顶板隔水层采动裂隙的闭合规律。结果表明:顶板隔水层中的蒙脱石(包括伊/蒙混层)含量越高,其膨胀程度越大;隔水层距煤层顶板的距离越大,膨胀程度亦越大;在不发生顶板结构严重破坏的情况下,当隔水层的体积膨胀率大于采动裂隙的发育率,采动裂隙将实现有效闭合。最后,通过在新安煤田水体下采煤岩体渗透性评价以及神东矿区水资源保护性开采中的工程应用,对顶板采动裂隙的闭合机理进行了验证,并取得了良好的应用效果。     

化学沉淀修复采动破坏岩体孔隙/裂隙的降渗特性试验

针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题,以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路,开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙通道中的渗流状态,通过注入可与地下水发生铁/钙质化学沉淀的试剂,评价沉淀物对采动岩体孔隙/裂隙的封堵降渗特性。结果表明:在为期近42 d的水渗流试验中,两试验模型降渗趋势显著,且均呈现先快后慢的分区降渗特征。裂隙岩样模型选用铁质化学沉淀进行封堵降渗,绝对渗透率由初始的15.1μm^2降低为0.01μm^2;试验初期受裂隙面岩石黏土矿物遇水膨胀作用的叠加,降渗速度快、时间短。石英砂管模型选用钙质化学沉淀开展降渗试验,绝对渗透率由初始的62.3μm^2降低为0.1μm^2;由于其宏观孔隙通道尺寸大、初始孔隙率高(32.8%),导致初期快速降渗阶段持续时间明显偏长,且试验末期对应绝对渗透率值也相对偏大。试验结果证实了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的封堵修复效果,同时也为利用化学沉淀方法进行采动覆岩导水通道封堵的含水层生态修复研究与实践提供了重要参考。     

不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。     

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。     

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。     

超千米深部矿井采动应力显现规律

我国浅部煤炭资源逐渐耗竭,开采深度逐渐进入1 000～2 000 m水平,常常伴有大量的工程灾害,其根本原因是深部采动应力场的显现规律与响应规律不清楚。以平煤股份十二矿超千米深己15-31030工作面为研究基地,开展了不同开采速率下超千米煤层采动应力显现规律及响应特征研究,并集成"锚杆应力-钻孔应力-钻孔裂隙窥视"等研究手段进行现场原位测试。结果表明:随着采煤工作面的不断推进,超前支承压力峰值先是交替上升,回采距离超过80 m时,由于埋深较大导致支承压力峰值增长变缓并最终在85 MPa左右波动,应力集中系数达3. 3,高于一般浅部工作面集中系数;同时上覆岩层在采动影响下形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带的"三带"结构;其次,随着开采速度增大,超前支承压力峰值逐渐增大,峰值点距采煤工作面的距离相应减小,基本顶断裂形成的岩块长度也越长;工作面支架压力随着采煤工作面持续推进呈现出周期上升的趋势。在采动影响下,由于扰动后应力重分布及能量释放,锚杆应力呈现出先增长后降低的趋势,得出工作面采动影响范围大约为85 m,钻孔应力距采煤工作面75 m左右时进入采动影响范围开始上升,而后进入支承压力降低区,应力开始出现小幅度下降;随着采煤工作面不断推进,强烈的开采扰动导致裂隙不断发育,裂隙逐渐发育成纵横交错的破碎带,并向顶板上方发展。