我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展

采动裂隙带卸压瓦斯抽采是工作面瓦斯防治的主要方法,介绍了采动裂隙动态演化规律的研究现状,分析了卸压瓦斯抽采原理。根据瓦斯抽采直接通道的不同,总结提出采动裂隙带瓦斯抽采分类方法;基于工作面瓦斯绝对涌出量的大小,提出采动裂隙带瓦斯抽采技术的分级选择法。对各类采动裂隙带瓦斯抽采方法的优缺点、布置方式进行了分析论述,给出了具体的设计方法以及技术参数,并结合现场实例说明了各种抽采方法的效果。最后通过总结概括采动裂隙带瓦斯抽采技术的研究现状,指出采动裂隙带演化模型三维化、瓦斯高效抽采技术参数精准化以及瓦斯抽采技术装备智能化是覆岩采动裂隙带瓦斯抽采未来的研究重点及发展趋势。     

采动裂隙场瓦斯运移规律分析

为了研究采动裂隙场瓦斯运移规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了采动裂隙场中瓦斯涌出规律以及采动裂隙场中瓦斯运移数学模型,然后建立了“U型+走向高抽巷”通风模型,采用COMSOL软件数值模拟了“U型+走向高抽巷”通风下采空区纵向剖面、水平剖面瓦斯浓度分布以及采场瓦斯三维空间分布。研究得出,通过“U型+走向高抽巷”的布置,瓦斯抽采效果良好,为瓦斯抽采提供了借鉴。     

高位钻孔抽采技术在矿井瓦斯治理中的应用

高位钻孔通过采动裂隙抽采工作面瓦斯,因此裂隙的分布规律对钻孔布置起到决定性作用。通过模拟计算覆岩任意点的孔隙率来反映采动裂隙分布规律,研究结果为试验工作面的钻孔布置、瓦斯治理方案的制定提供理论依据。     

采空区上覆岩层裂隙发育及瓦斯流动规律分析

针对煤矿采空区上覆岩层裂隙发育,采动裂隙瓦斯流动规律等对合理确定高位钻孔抽采区域的重要性,对采空区上覆岩层的裂隙发育规律和采动裂隙场的瓦斯流动规律进行分析,从采空区覆岩"竖三带"裂隙分布特征、采动裂隙"O"形圈以及U型通风采动裂隙瓦斯流动规律出发,找出采空区对工作面上隅角瓦斯超限影响较大的区域,得出高位钻孔的理论最佳抽采区域大致为工作面后方50 m区域,这个区域的覆岩裂隙发育情况是高位钻孔层位优化设计的关键,为高位钻孔抽采参数优化提供了理论基础。     

采动裂隙带瓦斯运移规律分析

采场覆岩裂隙和瓦斯运移规律是我国高瓦斯矿井瓦斯治理的重要研究对象,分析了多孔介质性质与工作面瓦斯涌出来源,得出采动裂隙带具备多孔介质的性质,为瓦斯的运移和流动提供理论基础;工作面瓦斯主要由采空区瓦斯涌出以及煤壁与落煤的瓦斯涌出组成。然后采用Fluent数值模拟软件,模拟分析了采动裂隙带瓦斯运移规律,得出大量的瓦斯积聚回风侧,该位置也是瓦斯抽采的理想位置;随着采空区逐渐被压实,在四周位置,形成了一个动态的裂隙圈“O”型圈,卸压瓦斯也积聚在“O”型圈位置。研究为类似条件下瓦斯抽采提供了借鉴。     

高瓦斯煤层群首采层“Y”型通风瓦斯抽采技术

针对我国中东部煤田煤层群埋藏深、煤质软、瓦斯压力和瓦斯含量高、瓦斯难以抽采的难题,利用数值模拟和现场工程试验相结合的方法,系统的研究了高瓦斯煤层群首采层"Y"型通风瓦斯抽采技术。研究获得了煤层开采上覆围岩裂隙演化特性规律以及垂向位移与下沉规律,探明了在10倍采高层位处的上覆岩层离层裂隙及纵向裂隙最发育,此处形成了瓦斯富集区,并同时形成了相互沟通的裂隙网为瓦斯抽采提供了运移通道。设计了大直径钻孔组瓦斯抽采方法,综合利用大直径钻孔组和采空区埋管技术,使得顶板裂隙带内的卸压瓦斯以及采空区内的瓦斯得以高效抽采,回风流中的瓦斯浓度控制在0.3%以下,实现了利用大直径钻孔组代替倾向高抽巷高效抽采瓦斯的目的。     

覆岩导气裂隙演化对邻近层瓦斯涌出规律的影响

上覆岩层中导气裂隙的发育情况直接影响着邻近层瓦斯在采动破裂煤岩体中的动态储运及涌出规律。在探讨上覆岩层中导气裂隙形成机理和延伸规律的基础上,实测研究了阳泉集团石港煤矿15101综放工作面导气裂隙的发展规律并计算得出正常生产条件下导气裂隙带的发育高度,结合综放面瓦斯涌出的实测数据,研究了采动影响下导气裂隙的发育与邻近层瓦斯涌出之间的动态耦合关系,为本煤层以及邻近层瓦斯抽采和治理技术的选择及优化提供依据。     

高位钻场在李雅庄煤矿的应用效果分析

基于采动裂隙带的演化规律研究及瓦斯在采动裂隙带的升浮—扩散规律研究成果,根据高位抽放巷的工作原理,分析了影响高位抽放巷抽采瓦斯效果的地质、开采、通风、钻场钻孔布置情况以及工作面瓦斯参数等因素,并根据对抽采浓度、混合流量、纯流量的分析,研究了李雅庄煤矿高位钻场瓦斯治理效果,说明抽采钻孔是否布置在采动裂隙带内对瓦斯抽采效果的好坏有直接影响。分析认为:李雅庄煤矿高位钻场距煤层顶板较近,钻孔位于采动裂隙带的下部,抽放效果不佳,但仍能达到治理上隅角瓦斯超限的目的。     

高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术

为了研究高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律,以鸡西矿区杏花矿薄煤层现存在工作面瓦斯难排问题为研究对象,运用了理论计算分析及数值模拟相结合的研究手段,研究结果表明:薄煤层工作面顶板环形裂隙圈的宽度较小,且在采动过程中不能使上部亚关键层破断,致使亚关键层及以上岩层中不能发育贯通裂隙而富集瓦斯。因此该采动裂隙演化规律用于指导现场瓦斯抽采工程方案的设计,现场采取了顶板抽采巷道及高位近水平钻场结合抽采方案,大大降低了工作面及回风巷的瓦斯浓度,保证了安全的生产环境,提高了矿井生产能力。     

南庄矿井12号煤层卸压瓦斯分源抽采技术的研究和运用

在矿井瓦斯赋存的基础上,结合上邻近煤岩层采动裂隙场演化及分布规律的相关理论,探索上邻近煤岩层采动卸压瓦斯分布富集规律,研究12号煤层卸压瓦斯分源抽采技术并进行运用,有效进行瓦斯防治,实现安全生产。     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。     

围岩裂隙演化与采动卸压瓦斯储运的耦合关系

采用单元法实验,研究了平煤新峰四矿12160回采工作面煤层开采过程中上覆岩层裂隙变化规律,发现了裂隙带的演化是一个动态变化的过程,瓦斯储集和输运也是一个动态变化的过程.分析了采空区瓦斯在裂隙中运移规律,进而研究了开采过程中卸压瓦斯储集与采场围岩裂隙的动态演化过程之间的耦合作用关系.以期为瓦斯的防治提供理论依据.     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

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。     

高瓦斯矿井综放工作面综合抽采优化研究

为解决某高瓦斯矿井综放工作面瓦斯抽采困难、瓦斯严重超限难题,采用数值模拟和理论分析得到采动覆岩裂隙演化和卸压瓦斯运移规律,提出本煤层抽采和裂隙带抽采的综合、协同抽采技术。结果表明:回采作用下,覆岩裂隙垮落-压实的变化使得在裂隙带中易形成瓦斯富集;提出的综合治理技术可以实现对本煤层和采场裂隙带内瓦斯抽放,工作面实测抽采瓦斯纯量最大为6.15m~3/min,抽采瓦斯浓度最大为49. 9%,满足安全生产要求。     

急倾斜煤层群被保护层卸压瓦斯抽采试验研究

针对急倾斜突出煤层群瓦斯抽采作业的特殊性,基于急倾斜煤层顶板冒落规律,对被保护层瓦斯抽采效果进行分析,研究被保护层卸压瓦斯运移规律。研究结果表明:受急倾斜煤层采面倾斜上、中、下段岩层移动程度不同的影响,被保护层沿倾斜方向由下至上产生的裂隙逐步增大并彼此贯通,下部煤层卸压瓦斯沿着裂隙往上部流动,上部风巷抽采瓦斯浓度是机巷的2~3倍,流量是机巷的3~4倍,倾斜段上部瓦斯卸压效果明显。     

低透气性煤层应力集中带瓦斯抽采研究

为了提高低透气性煤层瓦斯抽放效率,研究了回采工作面煤层渗透性随采动的变化规律,综合分析了采动应力下煤层裂隙演化规律,得出了在低透气性煤层应力集中带瓦斯抽采的必要性和可行性。通过建立应力集中带裂隙(包括原生割理、构造节理、采动裂隙)演化简化模型,分析裂隙分布方位与最大主应力、煤层倾角的方位关系,得出结论:应力集中带煤层裂隙在采动影响下张开闭合与否,受最大主应力方向、大小影响,进而影响煤层局部渗透性变化,因此在应力集中带将瓦斯抽采钻孔布置在局部渗透性增大区域,将大大提高抽采效率。提出了在应力集中带裂隙发育区域抽采瓦斯是预防瓦斯动力灾害的有效措施,观察煤体裂隙分布发育情况是预测煤体渗透性的一种依据。     

围岩裂隙演化与采动卸压瓦斯储运的耦合关系

采用单元法实验，研究了平煤新峰四矿12160回采工作面煤层开采过程中上覆岩层裂隙变化规律，发现了裂隙带的演化是一个动态变化的过程，瓦斯储集和输运也是一个动态变化的过程．分析了采空区瓦斯在裂隙中运移规律，进而研究了开采过程中卸压瓦斯储集与采场围岩裂隙的动态演化过程之间的耦合作用关系．以期为瓦斯的防治提供理论依据．     

本煤层巷道穿层钻孔抽采邻近层卸压瓦斯技术研究与应用

针对淮北矿区远距离下保护层卸压瓦斯抽采存在的问题,分析了采动裂隙发育及瓦斯流动规律,研究本煤层巷道穿层钻孔抽采邻近层卸压瓦斯技术,在本煤层巷道施工网格式穿层钻孔,对工作面上方采动范围内的煤层全覆盖控制,穿层钻孔在回采前预抽被保护层瓦斯,回采时高效抽采邻近层卸压瓦斯,回采后成为层间离层裂隙的主要通道,将采动影响范围内的煤层卸压瓦斯导入采空区,再通过其他钻孔将瓦斯抽出。研究认为,扩大钻孔抽采控制范围,对卸压瓦斯层层拦截抽采,能有效减少卸压瓦斯涌入回采空间;穿层钻孔能成为层间离层裂隙的有效通道,使煤层卸压瓦斯充分流动,能够提高卸压瓦斯抽采效果。     

韩城矿业“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究应用

对韩城矿业典型试验工作面煤层采动覆岩裂隙演化规律进行了系统的研究,分析了缷压瓦斯运移规律,并将采动裂隙场与缷压瓦斯流动场进行耦合,确定了瓦斯富集区和高位钻孔的布置参数,分析了具有韩城矿业特色的"以孔代巷"瓦斯治理模式。实际应用表明,"以孔代巷"在韩城矿业取得了较好的瓦斯治理效果和降低成本效果。