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。     

王行庄煤矿保护层开采顶底板影响范围的研究

通过对王行庄煤矿保护层开采的分析研究,保护层二3煤11053面开采后,对二3煤底板的破坏最大深度在8～14 m。被保护层二1煤11051面开采后,垮落带的高度为5.2～11.3 m,裂隙带高度为26.8～44.6 m,二3煤与二1煤间岩层平均厚度为20 m。保护层与被保护层间岩石裂隙贯通,为瓦斯扩散提供了通道,降低了被保护层的突出危险性。     

上保护层开采下伏煤岩力学特性及瓦斯抽采效果

基于岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,模拟保护层开采过程,下伏煤岩应力及变形特征,得出了下伏煤岩应力随保护层开采变化规律及被保护层煤层变形呈现压缩、膨胀、膨胀减小到稳定的变化规律,并在现场进行了工业性试验,考察了保护层开采过程,被保护层变形及煤层透气性变化,理论分析与现场测定基本吻合,依据研究结论,优化了被保护层卸压瓦斯抽采设计,通过被保护煤层卸压瓦斯抽采,残余瓦斯含量降到了2.33 m3/t,残余瓦斯压力降为0.35 MPa,均低于煤层突出临界值;被保护范围内煤层瓦斯抽采率达到44.8%;被保护层的瓦斯含量得到有效降低,消除了突出危险性,确保了被保护层的安全开采。     

平顶山十矿下保护层开采上覆煤岩破裂变形规律

针对平顶山十矿己15-16煤层的赋存特征,运用相似材料模拟、数字散斑及数值模拟分析了近距离下保护层开采过程中,被保护层应力分布特征、卸压范围、变形规律等。结果表明:保护层开采后被保护层位于裂隙带的中下部,充分卸压;最大膨胀变形率可达1.91%,被保护层受保护范围为走向方向内错8~10 m,倾斜方向内错8~11 m。被保护层产生膨胀变形使其透气性增大,创造了煤与瓦斯共采的条件,确定了卸压瓦斯抽采方案。     

近全岩保护层开采理论研究及工程实践

保护层开采是解决高瓦斯低透气性突出煤层的有效办法。在不具备常规煤层保护层开采条件的工程背景及技术难题基础上,提出近全岩保护层开采的技术思路。基于平煤十二矿主采煤层工程地质条件,总结了近全岩保护层开采优化设计原则,通过分析煤层膨胀变形率、应力变化特征及现有装备水平和经济技术因素,优化得出保护层与被保护层间距为12 m、保护层开采厚度为1.9 m;基于己14-31010近全岩保护层工作面煤岩体揭露情况,优选出综采液压支架、采煤机和刮板输送机等关键近全岩开采装备;设计了采煤机配合爆破预裂的破煤(岩)方式,并针对性设计单排眼和三花眼的辅助爆破工艺。实施己14-31010近全岩保护层工作面开采后,己15-31010被保护层工作面瓦斯压力由1.80 MPa降低至0.35 MPa,残余瓦斯含量仅1.28 m3/t,抽采率提高至66%,表明近全岩保护层开采瓦斯治理效果显著。     

保护层开采卸压瓦斯运移及抽采技术

为了降低采煤工作面瓦斯浓度,采用保护层开采的方式对煤层进行卸压,以山西常庄矿为试验矿井,通过数值模拟对保护层开采后煤层卸压以及瓦斯运移进行研究,根据卸压和瓦斯运移特征确定了瓦斯抽采钻孔技术参数,并对抽采效果进行了检验,研究结果表明:冒落带高度为4.8m,裂隙带高度为25.2m,两侧近煤层区域裂隙发育,为裂隙发育的聚集区,形成"裂隙河";当采宽不断增大时,卸压强度增大,煤层内部应力整体呈"W"型分布;被保护层卸压分为四个区:原始压力区、压力集中区、过渡区、完全卸压区;瓦斯抽放孔最佳参数:钻孔倾角不得大于70°,封孔长度为10m,钻孔间距为30m,孔口负压为12.2k Pa;卸压瓦斯抽采浓度较卸压前大幅提高,保护层开采对于被保护层卸压起到了作用。     

下保护层开采层位选择及采高确定

为了解除主采煤层瓦斯突出威胁,设计采用先开采保护层的方案,利用保护层开采过程中形成的裂隙带,释放被保护层的瓦斯。文中对煤层开采形成的"两带"高度进行预测,最终确定一8煤层为保护层,并通过计算煤层顶板裂隙发育高度,确定合理保护层开采高度为1.2m,为该矿高瓦斯煤层开采提供设计参考。     

开采保护层瓦斯治理效果研究

随着煤矿开采深度的增加,煤与瓦斯突出灾害日益严重。为实现煤矿安全生产,针对突出煤层己15煤22090工作面及相邻工作面,通过合理安排开采顺序,利用开采保护层的方法,破坏了顶底板岩体原有的应力分布状态,打破应力平衡状态,使得应力重新分布,被保护层的瓦斯压力随着保护层的推进呈现出"M"型分布,与煤层塑性变形相互印证,得出被保护层瓦斯压力得到释放,降低了瓦斯突出危险性。通过对保护层的开采,使被保护煤层瓦斯压力由大于0.89MPa减小到了小于0.1MPa,有效减小了瓦斯压力。22090工作面走向方向上5.12m以内为保护区域,以外为非保护区,在倾向上倾向8.72m以内为保护区域,8.72m以外为非保护区,确保了矿井安全生产。     

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。     

采动岩层渗透率与应力耦合关系数值模拟研究

根据上覆岩层在采动条件下渗透率随应力变化的分布特点,建立了渗透率-应力模型,并通过fish语言将渗透率-应力模型镶嵌到FLAC3D软件,对采动条件下上覆岩层的渗透率与应力变化规律进行了模拟,同时以渗透率变化来判定采动卸压带的高度。结果表明:岩层采动后,渗透率随应力增大而减小;卸压带高度随开采距离增加而增加,但最后却趋于某一恒定值;开采保护层能很好地增强被保护层煤岩层的渗透性,能有效提高被保护层瓦斯抽采效率;被保护层开采后,其采空区上覆岩层的渗透率是保护层开采时上覆岩层渗透率的3倍左右。     

平煤十二矿岩层下保护层开采技术及工程实践

针对深部高突矿井存在高地应力、高瓦斯、低透气性、高地温、高岩溶水压以及高强扰动等致灾因素,以致瓦斯突出事故频繁发生的问题。在不具备常规保护层（煤层厚度≥0.8 m）开采的工程背景下,及实现上部被保护煤层增透卸压的难题,提出岩层下保护层工作面开采技术的解决思路。基于十二矿三采区主采煤层工程地条件,分析了岩层下保护层工作面采高与合理宽度的确定方法。结合矿井现有开采设备水平与技术经济因素,确定岩层下保护层开采厚度1.8 m,工作面宽度158 m;基于31040岩层下保护层工作面煤岩层揭露情况,优选出了岩层工作面破岩的关键开采设备,并设计了工作面三花眼辅助预裂爆破配合采煤机截割的破岩方式;根据己_16-17煤层瓦斯地质条件,设计了岩层下保护层瓦斯卸压效果监测方法。     

软岩保护层开采底抽巷穿层卸压抽采瓦斯技术研究

为了解决目前平煤十三矿瓦斯抽采效果不佳的难题,结合煤矿的现场实际条件,提出了软岩保护层开采底抽巷穿层卸压抽采瓦斯技术,选择13100软岩保护层工作面作为首采面,然后在保护层工作面实施底抽巷穿层钻孔,并对底抽巷卸压区、未卸压区的单孔瓦斯浓度、瓦斯纯量进行测量。研究结果表明:通过连续2个月的观测,13100软岩保护层工作面底抽巷卸压区单孔平均瓦斯浓度在40%以上,较未卸压区至少提高了160%,同时单孔抽采纯量是未卸压区抽采纯量的32倍。     

煤层群开采保护层厚度设计优化数值模拟研究

保护层开采是效果明显的安全措施,能够有效预防煤层群开采过程中瓦斯事故。以屯兰煤矿为工程背景,采用数值模拟分析手段,分析7号煤层作为保护层时,开采厚度分别为0.8 m和1.5 m时,被保护煤层应力、位移变化特征,以及在保护层开采过程中煤层内部应力集中程度、泄压范围和煤层膨胀变形程范围,通过多个因素综合对比分析,最终确定最佳保护层开采厚度,相关研究对邻近煤矿保护层开采具有借鉴意义。     

Numerical simulation on pressure-relief deformation characteristics of underlying coal-rock mass after upper protective layer excavation

Based on the occurrence features of Group B coal-seams at a coal mine in the Huainan coal mining area, the elasto-plastic mechanical damage constitutive functions and numerical model for the protective layer excavation were established. With the UDEC2D computer program, after the upper protective layer was mined, the stress field change trends, crack development, and expansion deformation trends of underlying coal rock seams in the floor of the working face were simulated and analyzed. The simulation results show the stress changes in coal rock seams, the evolution process of pre-cracks during the process of upper protective layer mining, the caved zone and fractured zone of the underlying coal rock seams. At the same time, the results from the actual investigation and analysis of protected layer deformation match the simulation values, which verifies the validity and accuracy of numerical simulation results. The study results have an important guiding significance for gas management in low permeability and high gas coal seams with similar mining conditions.     

新兴煤矿采空积水区下采煤的防水煤岩柱设计

在采空积水区下采煤的防水煤岩柱设计关系到矿井的安全生产和资源开发的合理性,需要在一定的理论指导下完成。文章以新兴煤矿的延深设计为例,通过分析覆岩破坏规律,分别计算冒落带、裂隙带的最大高度和保护层高度,最终确定以+150~+180 m水平之间煤岩柱作为防水煤岩柱,并采取必要的开采技术措施,为±0m水平的安全开采提供了可靠的科学依据。     

采场覆岩两带与采空区自燃三带相关关系研究

为研究采煤工作面覆岩两带（冒落带、裂隙带）与自燃三带（散热带、窒息带、氧化带）的关系,通过建立覆岩运移模型,应用CDEM软件模拟分析了试验工作面采动空间上覆岩层两带的扩展过程,分析垂向方向覆岩两带分布对水平方向上垮落煤岩堆积状态的影响情况。通过现场埋管实测的手段以及氧体积分数法进行了采空区煤自燃三带的划分。研究表明,冒落带高度稳定情况下,采煤推进距离（48 m）与采空区散热带和氧化带的分界线（进风侧采空区以里50 m左右,回风侧采空区以里40 m左右）有较好的吻合关系。裂隙带高度稳定情况（顶板150 m处的岩层最大下沉值趋于基本稳定）下,采煤推进距离（126 m）与采空区氧化带和窒息带的分界线有较好的对应关系。     

远距离下保护层开采对上覆煤岩层卸压效果的影响

为探究晋城矿区下保护层开采对上覆岩层卸压效果,综合运用数值模拟和现场实测等手段,并以该矿区开采9号煤层作为3号煤层下保护层为工程背景开展研究。采用数值模拟手段研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层回采后,上覆煤岩体出现分区卸压效应,卸压效果随与工作面垂直距离增加而降低;被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°;采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,通过钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生离层裂隙。煤层瓦斯参数测定发现,被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力分别降低至开采前50%和60%,表明开采9号煤层作为保护层对上覆3号煤层卸压消突效果显著。     

近距离煤层上行开采围岩应力演化特征分析

基于潘一东煤矿地质概况及原始地应力测试数据,采用相似模拟与数值模拟相结合的方法,分析了近距离煤层上行开采过程中两煤层采场超前支承压力变化规律和覆岩裂隙发育特征。结果表明:下保护层开采弱化了覆岩关键层的承载能力,采空区后方形成的覆岩断裂线对上覆被保护层基本顶初次垮落步距具有一定影响;下保护层采场超前支承压力峰值呈线性增长趋势,而被保护层采场超前支承压力峰值受保护层采动影响呈增大—稳定—减小的趋势,工作面推进距离达到1/2“见方”及“见方”时,悬顶岩梁会发生大面积垮落失稳,应注重采场动力灾害防治工作。     

基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察

我国95％以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层,煤层透气性系数只有10-3～10-4 mD,未卸压瓦斯抽采难度非常大.保护层开采破坏了原岩应力平衡,地应力重新分布,煤层与岩体发生卸压、膨胀,并产生大小不同的裂缝,增大了透气性系数,可以提高抽采效率.采用压降法测定钻孔抽放影响半径,并对保护层开采的卸压增透效果进行评价,分析得出,在未卸压区域钻场抽放影响半径是单孔抽放影响半径的1.85倍,单纯的增加钻孔数量对抽放效率的提高有限;保护层开采将钻场有效影响半径由卸压前的3.7m提高到卸压后的5 m,卸压增透效果明显.