下伏邻近层瓦斯采动卸压运移规律及抽采特征研究

为研究下伏邻近层瓦斯采动卸压运移规律及顺层钻孔瓦斯抽采特征,以屯兰矿2^#煤层为研究对象,基于下伏采动卸压理论、底板采动破坏深度经验公式和稳定同位素测定分析技术,分析了下伏邻近层瓦斯卸压涌出规律,对下伏煤层顺层瓦斯钻孔采动卸压抽采特征进行了研究。结果表明：12507工作面底板采动破坏深度24.80 m,采动卸压后单孔最高抽采浓度75%、流量0.5 m³/min,下伏邻近层瓦斯抽采量占工作面瓦斯抽采总量的27.08%,为实现下伏卸压瓦斯高效治理,需对下伏4^#煤进行采前预抽和采动抽采;根据上隅角瓦斯主要来源及占比,将工作面瓦斯涌出划分为3个阶段,单一煤层主导阶段、邻近层卸压调整阶段及卸压平衡阶段;工作面回采6～100 m时,采空区下伏4^#煤迅速卸压,瓦斯大量涌出至采空区,100 m后下伏4^#煤层瓦斯达到稳定卸压涌出。     

厚煤层双重卸压采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术

针对下石节煤矿222工作面开采过程中双重卸压造成工作面瓦斯涌出量高导致瓦斯超限的安全难题,结合采动裂隙"O"型圈和"环形裂隙体"理论,在分析厚煤层综放开采双重卸压采动覆岩破坏特征的基础上;采用相似模拟和数值模拟研究了双重卸压工作面开采采空区覆岩裂隙演化模型,确定了裂隙场和应力场演化反馈机制,依据裂隙密度,将覆岩裂隙场划分为贯通渗透区、纵向渗透区和水平渗透区;结合Fluent模拟瓦斯流场运移机理,将双重卸压采空区覆岩裂隙场+应力场+瓦斯渗流场相互耦合,进一步补充了采空区瓦斯流场规律:低位低浓度瓦斯流动带和高位高浓度瓦斯流动圈;提出了双重卸压采空区卸压瓦斯治理方式为复合采空区高位定向钻孔瓦斯抽采方案,并进行了工程应用。结果表明:确定卸压瓦斯抽采富集区域范围为回风侧偏向工作面宽度40 m,距离煤层顶板60.8 m以上150 m以下范围内;通过在复合采空区将高位定向钻孔瓦斯抽采方案的实施,上隅角瓦斯浓度低于0.8%,工作面及回风巷瓦斯浓度低于0.3%。     

近距离高瓦斯煤层群底抽巷煤与瓦斯共采实践

针对近距离煤层群高瓦斯工作面的地质及回采条件,建立采场底板卸压数值分析模型,选取膨胀量和卸压系数两个指标分析了底板煤岩层运移和应力变化特征,指出作用于底板煤岩层应力的急剧增大与减小导致出现卸压膨胀现象,随工作面推进范围扩大,最终膨胀量和卸压系数大小分布呈现马鞍型。为减少底板煤岩体内卸压瓦斯涌入工作面,采用底抽巷治理瓦斯的方案,提出了底抽巷的布置原则。工程试验中,底抽巷顺层钻孔抽采瓦斯纯量及浓度逐渐稳定在最高值7 m~3/min和50%,工作面回风流及尾巷风流瓦斯浓度稳定在0.55%及0.6%以下,实现了煤与瓦斯共采。     

低透煤层采空区覆岩高位瓦斯富集区微震探测及应用

为了提高低透气性煤层采空区覆岩卸压瓦斯的抽采效果,采用微震监测技术,对工作面推进过程中采空区覆岩微震事件的演化过程进行了监测,进而分析了采空区覆岩的空间破裂特征,并依据微震监测分析得到的采动裂隙带位置及周期来压步距,设计了高位钻孔瓦斯抽采参数,检验了瓦斯抽采效果。结果表明:工作面回采期间周期来压步距在16 m左右,形成的采动裂隙带高度在50 m左右,据此设计的高位瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采量和抽采体积分数分别提升了100%和150%,表明微震监测技术可准确探测采空区覆岩高位瓦斯富集区的空间位置,为瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。     

综采工作面瓦斯运移优势通道演化规律 采高效应研究

为了研究采动覆岩中卸压瓦斯的运移规律,以采动裂隙椭抛带理论为基础,构建采动卸压瓦斯优势通道采高效应的空间形态模型,针对山西和顺某高瓦斯矿井主采工作面,运用物理相似模拟的方法,揭示综采工作面采动卸压瓦斯运移优势通道的采高控制机理,以此为依据,在现场实施高位钻孔抽采卸压瓦斯试验。研究结果表明:在上覆岩层中,优势通道左右边界离层量发生明显突变。随采高的增加,优势通道高度分别发育至距离煤层底板29.5,48,60 m,而宽度则从28 m变化到33 m。离层率的峰值距煤层底板30 m上移至60 m,贯通度明显增大。6 m采高优势通道的分形维数分别是4,2m采高的1.07,1.23倍,呈现着升维的趋势。在现场高位钻孔试验中,对工作面采高不同时的高位钻孔参数进行优化调整,得到高位钻场抽采瓦斯占绝对瓦斯涌出总量的49.94%～89.88%,并且使得上隅角及回风巷平均瓦斯体积分数维持在0.27%以下及0.32%以下,从而保证工作面安全高效的回采。研究结果为采动覆岩卸压瓦斯富集区的识别提供一定的理论基础。     

低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术

通过对首采关键层留巷采空区边缘岩体结构变形破坏和裂隙演化规律的分析,揭示了“Y”型通风工作面采空侧卸压瓦斯富集区域、运移通道、瓦斯分布特征及卸压瓦斯运移规律,提出了留巷钻孔法煤与瓦斯共采新技术和新方法;在留巷内布置上下向高低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域,实现连续抽采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进,通过连续高效抽采上下被卸压层的瓦斯,实现了煤矿井下直接抽采卸压瓦斯的重大突破.     

大采高综采面高瓦斯综合治理技术优化研究

针对高瓦斯矿井产量大、存在瓦斯突出和爆炸危险,研究分析大采高综采工作面卸压瓦斯运移规律,提出U+I型通风、顺层钻孔抽采本煤层瓦斯和走向高抽巷抽采的综合治理技术。结果表明:对采空区、本煤层和邻近层及工作面顶板裂隙带内瓦斯抽放效果良好,实测工作面瓦斯浓度和抽采率分别为0.265%和83.3%,满足安全生产要求。     

新安煤矿高位钻孔抽采采空区瓦斯效果分析

针对新安煤矿高位钻孔抽采采空区瓦斯的治理措施,基于采空区瓦斯运移、顶板岩层冒落规律,重点分析采空区瓦斯来源、涌出量以及瓦斯浓度分布特征,利用工作面推进期间煤层顶板上覆岩层卸压变形情况,通过布置钻孔抽采层位,高效、可控高浓度接替抽采采空区瓦斯,从而解决了工作面回风流、上隅角瓦斯超限和工作面瓦斯涌出异常的问题。     

初采段不同卸压程度区域顶板走向高位钻孔布置层位研究

针对高河煤矿W1320工作面初采段瓦斯治理问题,提出多层位钻孔瓦斯抽采技术,研究初采段不同卸压程度区域顶板走向高位钻孔布置层位的分布范围,揭示了工作面初采段采空区周围煤岩体卸压程度的演化特征和覆岩裂隙发育规律。研究结果表明,初采阶段,采空区中部覆岩卸压程度先增大后减小,覆岩裂隙发育经历了开始发育、充分发育、重新压实等过程,采空区四周覆岩卸压程度逐渐增大,覆岩裂隙逐渐发育,直至形成“O”形圈;分析4个钻场的瓦斯抽采效果发现,工作面初采段存在2个瓦斯抽采有利区,第1个区域抽采纯量约为0.3 m³/min,内错距离为10～28 m,垂直高度为2～10 m;第2个区域抽采纯量约为0.46 m³/min,内错距离为18～46 m,垂直高度为10～18 m,应将多层位钻孔的有效抽采长度布置在瓦斯抽采有利区内。研究成果对于优化工作面初采段高位钻孔布置参数具有重要的实践意义,可为研究利用顶板走向高位钻孔代替高抽巷提供依据。     

厚煤层覆岩裂隙分布模拟分析及采空区瓦斯抽采技术

厚煤层开采时受到开采强度大、采空区遗煤量多等因素影响,回采空间内瓦斯浓度较高。30503综放工作面回采采空区瓦斯涌出量较大,仅依靠采空区埋管、风排瓦斯等方式难以降低采面瓦斯浓度,为此采用理论分析、数值模拟等方法对采动覆岩裂隙分布特征进行分析并提出采用低-中-高位钻孔对采空区覆岩瓦斯进行抽采。依据采面情况对抽采钻孔布置进行设计,现场应用后,抽采瓦斯抽采浓度保持在25%左右、抽采纯量稳定在9.5 m~3/min,同时回风巷以及回风上隅角瓦斯浓度分别控制在0.5%、0.6%以内,可满足采面安全生产需要。     

长壁开采覆岩内水平定向长钻孔位置特征与卸压瓦斯抽采机理

长壁采空区卸压瓦斯抽采是煤矿绿色开采技术体系中煤与瓦斯共采的重要组成部分,在覆岩内布置水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯近年来应用较多;与高抽巷、普通高位钻孔不同,其在采动覆岩内布置抽采时,对覆岩破坏及瓦斯运移的响应与敏感性具有显著的特殊性。通过理论分析、数值模拟与工程实例验证等方法研究了采动覆岩内水平定向长钻孔的位置特征与卸压瓦斯抽采机理。阐述了水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯的技术原理,结合室内试验、数值模拟分析了水平定向长钻孔的3个位置特征：(1)钻孔布置位置区域瓦斯积聚程度高,为钻孔抽采瓦斯提供浓度条件;(2)钻孔布置位置区域裂隙较为发育,为钻孔抽采提供瓦斯源保障;(3)钻孔布置位置区域岩层受采动影响较小,为钻孔提供稳定性条件。在此基础上,从采动裂隙内瓦斯积聚程度、采动岩层渗透率和采动钻孔稳定性3个方面揭示了水平定向长钻孔布置抽采机理,提出了水平定向长钻孔的位置判据,给出了确定钻孔抽采位置的方法流程,并通过数值模拟、工程实例进行了合理性验证。研究结果表明：依据钻孔位置判据进行钻孔布置抽采的最大瓦斯抽采纯量达2.59 m3/min,为其他对比钻孔的2.56倍;在定向长钻孔抽采作用下,回风巷最大...     

特厚煤层综放开采定向长钻孔瓦斯抽采技术

为了解决玉华煤矿特厚煤层综放开采条件下采空区瓦斯涌出量大的问题,开展特厚煤层综放工作面覆岩裂隙演化物理相似模拟实验。掌握特厚煤层采动覆岩裂隙分布特征、“三带”高度及底板应力变化规律,以此为基础设计试验工作面采空区瓦斯抽采钻孔的合理层位,最终以卸压瓦斯抽采效果为考察指标,利用定向长钻孔代替常规高位钻孔对抽采钻孔层位布置的合理性进行验证。结果表明,工作面冒落带高度22 m,冒采比2.2,裂隙带高度140 m,裂采比14。参考矿井实际顶板垮落情况,确定顶板定向长钻孔的3个合理终孔层位分别为7 m、15 m、40 m。通过瓦斯抽采效果对比得到定向长钻孔的瓦斯抽采浓度和有效抽采距离均比普通钻孔提高了1倍以上,抽采效果良好。     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

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。     

瓦斯抽放条件下采空区气体运移规律的数值模拟研究

为了掌握采空区气体的运移情况,指导采空区瓦斯的抽采工作,针对山西晋煤集团凤凰山煤矿综采工作面上隅角瓦斯超限的实际情况,在煤层顶板覆岩内布置高位钻孔直接对上邻近层卸压瓦斯进行抽采和拦截。通过建立采空区瓦斯流动模型,并对模型中各边界条件和参数进行设置,运用FLUENT软件对综采工作面顶板抽放条件下采空区气体分布及运移规律进行数值模拟,得出采空区氧气、瓦斯气体运移规律,为防治采空区遗煤自燃和瓦斯防治提供科学依据。     

基于采动覆岩裂隙特征的高位钻孔优化与分析

为了深入了解覆岩采动裂隙带内瓦斯富集运移区的变化规律,提高矿井采空区瓦斯抽采能力。以覆岩裂隙演化理论为基础,针对山西王家岭矿主采工作面,运用物理相似模拟的方法,研究了工作面采动影响下覆岩裂隙带及瓦斯富集运移区的变化规律,并以此研究结果,进行现场高位定向长钻孔优化设计。研究结果表明:上覆岩层裂隙及瓦斯富集运移区受采动影响,在第四次周期来压后裂隙充分发育,裂隙带高度在28～92.3m,但瓦斯富集运移区发育高度在第二次周期来压后稳定在52m以内。在现场试验中,对高位定向长钻孔参数进行优化调整,得到位于富集区内的钻孔抽采效果明显高于位于富集区外的抽采效果,且高位定向长钻孔稳定抽采期间抽采瓦斯占绝对瓦斯涌出量的55%～75%。研究结果为采动覆岩裂隙瓦斯富集运移区辨识、覆岩裂隙带瓦斯精准抽采提供一定的理论基础。     

特厚煤层分层开采立体多源瓦斯治理技术应用研究

为解决特厚煤层分层开采瓦斯治理难题,通过分析白芨沟煤矿010203区段首分层0102¹03工作面采前瓦斯抽采效果及回采期间瓦斯涌出来源,针对性采取定向长钻孔、底板穿层钻孔、顺层钻孔卸压拦截抽采,本分层顺层钻孔强化抽采以及大孔径钻孔采空区瓦斯抽采的立体多源瓦斯综合治理方法,并提出了基于小煤柱沿空留巷的大倾角、大孔径钻孔全程下套管施工工艺,在现场得到成功应用。研究结果表明:在已有定向长钻孔、底板穿层钻孔抽采基础上,采取本分层顺层钻孔强化抽采、下伏分层顺层钻孔卸压拦截抽采等措施,解决了本分层及下伏分层卸压瓦斯涌出问题;利用大孔径钻孔以孔代巷抽采采空区瓦斯,解决了工作面隅角瓦斯积聚问题。     

保护层卸压开采煤层变形与增透效应研究

为了研究高瓦斯赋存煤层卸压增透效应,以达到提高低渗透性松软煤层瓦斯抽采率,降低工作面瓦斯突出危险性,采用RFPA2D-Gasflow软件分析下保护层卸压开采后上覆煤岩采动裂隙发育、应力分布特征及由此产生的卸压煤层增透效应.结果表明:卸压开采煤层的透气性系数增大200倍左右,增透效果显著.利用该研究结果在顾桥矿沿空留巷内布置斜向上长短穿层钻孔,代替传统的底板巷内布置向上穿层钻孔抽采本层采空区内和上覆卸压煤层内瓦斯,可使沿空留巷中回风流和上隅角瓦斯体积分数均控制在0.5％以下,平均瓦斯抽采率达50％ ～ 70％,保证了工作面的安全回采.     

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。     

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。