关键层结构对保护层卸压开采效应影响分析

由于保护层卸压开采,导致覆岩结构的运动,致使上覆煤层变形,产生卸压效应,改变被卸压煤层的透气特性,为卸压瓦斯抽采创造有利条件.采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了上覆煤岩层采动裂隙演化、卸压煤层采动应力及位移分布、瓦斯参数变化等规律,结果表明:1)下保护层开采引起的上覆煤岩层采动裂隙集中分布在采场两端部,并呈竖向偏采空区方向发育,离层裂隙发育至被卸压煤层上方;2)开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育,卸压开采导致上覆煤层产生膨胀变形,透气性明显增加;3)由于被卸压煤层和保护层之间关键层结构的力学效应,使被卸压煤层透气系数增加幅度不显著,导致抽采孔瓦斯压力降低速度放缓.无关键层结构时,采动影响区内抽采孔瓦斯压力降低较快.     

低渗透性煤层群卸压开采地面钻井抽采瓦斯技术

基于淮南矿区高瓦斯低渗透性煤层群赋存条件,通过试验模型分析了卸压开采后的覆岩移动破坏、卸压煤层移动变形、采动裂隙垂向分带和卸压煤层应力分带特征,得出了首采层采空侧顶板至上覆卸压煤层顶板中存在环形裂隙区、竖向裂隙区、远程卸压煤层裂隙区,根据采动裂隙区发育特征,提出了卸压瓦斯抽采地面钻井的部署方法。在顾桥矿1117(1)工作面切眼外侧、风巷内侧和工作面前方分别布置有“”、“│”型和“L”型地面钻井,实现了长时间、大范围、较高的卸压瓦斯抽采率。总结了地面钻井位置、钻井型式、钻井稳定性与卸压瓦斯抽采效果之间的关系。     

煤层群双重卸压开采覆岩移动及裂隙动态演化的实验研究

近距离煤层群双重卸压开采时,顶底板煤岩层反复破坏,形成了不同于单层煤层开采的裂隙通道,对瓦斯抽采造成了较大影响。采用相似材料模拟实验研究了单层开采和双重卸压开采覆岩位移、裂隙及应力分布与演化规律。研究表明：在双重卸压开采作用下,一些覆岩裂隙经历了生成、扩展、压实、张拉、再压实等复杂的过程;覆岩中形成了裂隙趋于闭合的“压实区”和裂隙趋于张开的“裂隙区”,这些裂隙形成了立体交错的瓦斯运移通道,并随双重卸压开采工作面推进而变化。提出了近距离煤层群重复卸压开采瓦斯立体抽采模式,实现上覆煤岩层和下伏煤岩层裂隙通道瓦斯的全面抽采,并在贵州盘江精煤股份有限公司金佳煤矿成功应用。     

软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究

针对软岩保护层开采后上覆被保护煤层卸压瓦斯治理问题,以淮北芦岭煤矿首例软岩保护层开采试验为工程背景,采用综合研究方法研究软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化特征。结果表明:Ⅲ11软岩保护层开采后覆岩冒落带和裂隙带最大发育高度分别为10.1～12.4,52.7～59.95 m,采空区侧及上覆被保护层煤层下部存在竖向裂隙发育区和远程离层裂隙发育区;设计地面采动井和拦截钻孔抽采覆岩8、9煤层卸压瓦斯,优化地面采动井终孔位置垂直方向距顶板法距20 m,倾斜方向距风巷或机巷平距35 m,拦截钻孔终孔位置距9煤底板5 m。考察期卸压瓦斯抽采实践表明,软岩保护层开采后覆岩"两带"发育高度的判断和卸压瓦斯富集区域的辨识是合理正确的。     

采动卸压下伏煤层瓦斯L型井抽采技术研究

为实现高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井受采动卸压影响的下伏煤层瓦斯抽采,以山西晋城矿区寺河煤矿3~#煤层5303工作面为研究对象,系统研究了3~#煤层采动卸压后下伏9~#煤层岩体的裂隙发育规律、应力分布特征和渗透性变化特性。数值模拟表明,工作面受采动影响垂向卸压范围可达71.43m,9~#煤层在底鼓变形带内,最大卸压值达到3.61MPa,使得该区域裂隙发育,渗透率提高。研究提出了一种煤矿瓦斯地面抽采新模式,即采用斜直井钻机地面施工L型井方式抽采经采动卸压的下伏煤层瓦斯,其研究成果对同类煤矿开采条件下高瓦斯和突出煤层瓦斯抽采工作具有重要指导借鉴意义。     

深部远距离下保护层开采多关键层运移— 裂隙演化—瓦斯涌出动态规律研究

为了探索淮南矿区深部A组煤开采远距离上行卸压B组煤的可行性,以潘二矿A3煤11223工作面及B4煤为工程背景,采用理论分析、实验室测试、相似模拟试验以及现场观测的手段,研究了覆岩不同关键层结构远距离下保护层开采采动裂隙动态演化规律和卸压特征,以及多关键层运移对被保护层卸压瓦斯涌出动态的影响。研究表明:1)沿工作面走向采动裂隙随关键层破断"跳跃式"向上扩展,岩层稳定后采空区中部裂隙被重新压实,切眼、工作面侧裂隙由于煤柱作用长期存在,共同构成"梯形裂隙区"。关键层竖向破断裂隙未贯通时,其随动岩层不会形成离层裂隙,同时对穿层裂隙的扩展也起到阻隔作用,致使保护层卸压角减小;2)沿工作面倾向裂隙分布为整体偏向上山方向的"斜梯形",倾向上部裂隙较发育。控制被保护层运移的关键层破断裂隙未贯通时,被保护层卸压系数和卸压范围均有所减小;3)由于11223工作面东一段和西二段覆岩关键层结构不同,导水裂隙发育高度存在显著差异,被保护层B4煤东、西两段煤层透气性系数分别扩大了592倍和105倍,从增透倍数和瓦斯抽采量来看,潘二矿下保护层A3煤11223工作面开采卸压B4煤是可行的,且东一段卸压效果明显优于西二段;4)由瓦斯抽采数据反演获得的各关键层破断步距与相似模拟试验结果有较好一致性,关键层的运移对被保护层瓦斯涌出动态起控制作用。     

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。     

应用上覆岩层采动裂隙“O”形圈特征抽放采空区瓦斯

本文应用相似材料模型试验和图象分析技术对芦岭矿8煤一分层上覆岩层采动裂隙分布特征研究的结果表明，在采空区四周存在一离层裂隙发育的“O”形圈，它是采空区卸压瓦斯流动通道和贮存空间。应用上覆岩层采动裂隙及其“O”形圈特征，提出了大面积抽放芦岭煤矿8煤一分层采空区卸压瓦斯的合理钻孔布置方案。     

近距离下行逐层开采底板应变时空差异特征

为了研究近距离煤层群下行逐层开采条件下底板裂隙岩体的应力-应变演化过程,采用相似材料模拟实验方法,结合渝阳煤矿M7、M8煤层的实际地质条件进行模拟分析,获得了一次采动与二次采动条件下煤层群底板应变时空差异特征,并进行了数值模拟验证。研究表明:一次采动条件下,距开切眼较近(减压区范围)与较远的底板岩层分别经历"低应力压缩-卸压膨胀-膨胀稳定"与"高应力压缩-卸压膨胀-重新压实"两个不同应变演化过程。空间上,随工作面推进,底板岩层应变变化量经历由"S"形向"驼峰"状分布曲线过渡的演化过程;二次采动条件下,距开切眼较近位置未出现低应力压缩过程,而是直接出现卸压膨胀然后趋于稳定。空间上,随工作面推进,底板岩层应变变化量经历由拱形分布曲线向"S"形分布曲线过渡的演化过程。两次采动底板各点所经历的应变变化量峰值自开切眼分别呈现"递增"和"∧"形分布。这说明近距离煤层群下行开采过程中,覆岩采空区压实和膨胀区均参与底板应力重新分布过程,应变数值和变化规律与上覆岩层压实范围、原始压力载荷基数、空间边界有关。     

高瓦斯多煤层大采高工作面覆岩裂隙演化规律研究

高瓦斯多煤层矿井运用大采高技术以实现矿井高产高效,开采工艺不同导致工作面瓦斯涌出规律的变化。以沁水煤田15#煤层大采高工作面煤层赋存条件和覆岩分布特征为背景开展采动覆岩裂隙演化规律研究,运用UDEC数值模拟大采高工作面在不同推进距离时覆岩裂隙形态发育及位移量,并提出基于示踪原理的实测覆岩裂隙发育规律的验证方法。研究表明:大采高工作面推进至120m时,煤层上覆岩层裂隙极限发育高度为65m,大采高工作面上邻近层8#煤层处于采动卸压范围,示踪气体法现场测试数据验证了数值模拟的准确性。由于大采高工作面覆岩裂隙发育范围扩展至上邻近层8#煤层,所以工作面回采过程中应增加上邻近层瓦斯抽采工艺。     

地面井“三圈”耦合瓦斯抽采技术理论与应用

针对地面井瓦斯抽采浓度低、产气量少、抽采周期短的问题，通过“三圈”对地面井瓦斯运移影响的机理进行分析，同时优化地面井布井位置，在首山一矿开展了采动区、采空区地面井瓦斯抽采试验。结果表明，采动裂隙圈影响地面井的单日产气量，采空区裂隙圈影响地面井的产气周期，覆岩垂直裂隙圈影响地面井的产气浓度，回采作业对于上覆邻近煤层具有一定的卸压效果。采动井布置在采动裂隙圈、采空区裂隙圈和覆岩垂直裂隙圈耦合区域内，抽采浓度高，单井产气量高且产气周期长，其中SSCD-06采动井布置于“三圈”耦合区域内，产气浓度持续100%,最高日抽采量可达4.1万m³,已持续产气260 d,累计产气260.7万m³。研究结果验证了地面井“三圈”耦合瓦斯抽采技术的优越性，对优化地面井瓦斯抽采布置方案具有重要的指导意义。     

低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体

以顾桥煤矿1115（1）工作面为试验点,运用国际先进的岩层应力、位移、孔隙流压等实时监测手段,围岩变形与水、气耦合的COSFLOW数值模拟技术以及研究采动区流场特征的CFD模拟技术,系统研究并基本掌握了11号煤层深部煤层开采过程中的围岩应力场、裂隙场以及瓦斯流动场之间的动态变化规律。研究表明,采动支承压力影响范围可达300 m,覆岩运动和采动裂隙发育范围在工作面后方170 m以内,170 m以后采动裂隙基本压实,采动裂隙发育高度以及孔隙流压明显降低的高度可达145 m。在此基础上判别了1115（1）工作面上覆煤层群瓦斯高效抽采范围,并初步建立了低透气性煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法,为煤与瓦斯共采理论发展以及工程实践提供了一套新的科学研究方法和工程设计手段。     

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...     

远距离下保护层开采煤岩体变形特征

依据淮南矿区某矿的地质采矿条件制作模型,进行物理模拟试验,研究下保护层煤层工作面推进过程中,采动覆岩结构运动规律、采动裂隙动态演化与分布特征及被保护层煤层的应力变化和膨胀变形等规律.研究表明,在下保护层开采过程中,开采离层裂隙可发育到约100 m高,采裂高厚比达44;被保护煤层沿走向卸压保护范围达到30 m以上、卸压保护角为54°;在采空区四周形成一个离层裂隙发育的"O"形圈,其周边宽度约34 m;被保护煤层的卸压瓦斯可通过它被抽采出来.     

远距离下保护层开采煤岩体变形特征

依据淮南矿区某矿的地质采矿条件制作模型,进行物理模拟试验,研究下保护层煤层工作面推进过程中,采动覆岩结构运动规律、采动裂隙动态演化与分布特征及被保护层煤层的应力变化和膨胀变形等规律．研究表明,在下保护层开采过程中,开采离层裂隙可发育到约100m高,采裂高厚比达44;被保护煤层沿走向卸压保护范围达到30m以上、卸压保护角为54°;在采空区四周形成一个离层裂隙发育的“O”形圈,其周边宽度约34m;被保护煤层的卸压瓦斯可通过它被抽采出来．     

远距离下保护层开采煤岩体变形特征

依据淮南矿区某矿的地质采矿条件制作模型,进行物理模拟试验,研究下保护层煤层工作面推进过程中,采动覆岩结构运动规律、采动裂隙动态演化与分布特征及被保护层煤层的应力变化和膨胀变形等规律．研究表明,在下保护层开采过程中,开采离层裂隙可发育到约100m高,采裂高厚比达44;被保护煤层沿走向卸压保护范围达到30m以上、卸压保护角为54°;在采空区四周形成一个离层裂隙发育的“O”形圈,其周边宽度约34m;被保护煤层的卸压瓦斯可通过它被抽采出来．     

地面井分区式瓦斯抽采技术体系及工程实践

为有效减少煤层瓦斯含量，实现瓦斯资源的高效利用并降低井下瓦斯治理难度，结合首山一矿现场地质特征，构建了地面井分区式瓦斯抽采技术，旨在实现矿区瓦斯治理体系化。基于采矿活动的时空分布特征，将井田划分为未采区、采动区和采空区，分区建立不同地面井进行瓦斯抽采，实现瓦斯治理向瓦斯利用并重转变。体系化瓦斯治理技术包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分。综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件进行地面井井位选取。在采动区，基于煤层回采后垮落带和裂隙带高度，设计采动区直井和L型井井底层位分别位于裂隙带中上部，借助本煤层回采的卸压效果，实现区域内多煤层瓦斯高效抽采。设计了未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。对未采区煤层进行水力压裂实现煤层增透，选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。在首山一矿进行地面井分区式瓦斯抽采技术工程实践，统计了矿区内不同类型地面井瓦斯抽采情况，结果显示：采动区地面井单井瓦斯日产量最高可超...     

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。     

王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律及卸压区瓦斯抽采试验研究

为实现低瓦斯高涌出矿井综放工作面安全高效开采,以王家岭煤矿为背景,结合物理相似模拟实验、UDEC数值模拟和微震监测,系统分析了王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律,在此基础上,开展了现场卸压区瓦斯抽采试验。研究结果表明：随工作面推进,煤层顶板上覆岩层垮落高度距煤层底板距离增大,离层裂隙距顶板距离增大,空洞高度减小;采空区两侧瓦斯运移通道的裂隙多于压实区的裂隙。初次来压前,采空区垂直应力随工作面的推进而降低;初次来压后,采空区垂直应力随工作面的推进而增大。在进、回风巷顶板,煤层、采空区顶底板共发生2 572个微震事件,工作面前方50 m范围内应力集中较大,应注意超前支护防范。12301工作面周期来压步距20～26 m,采动裂缝带高度90～110 m,周期来压4～6次。现场卸压区瓦斯抽采试验中,合理层位工作面瓦斯抽采量是其他层位工作面瓦斯抽采量的1.5倍,且工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理效果显著。