准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

针对准东巨厚煤层典型赋存特征,选取大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。结果表明:在采场应力的控制下,工作面前方覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区;覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线,其也会控制覆岩裂隙发育高度;巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布于采空区两侧,且沿岩层破断线呈"八"字形分布,并随工作面推进呈现周期演化,其是覆岩含水层水体向采场渗流的关键通道,对矿井的安全生产至关重要;从保水采煤角度考虑,放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动影响较大采高分层开采小。     

厚煤层采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术

针对崔家沟煤矿2303综放工作面瓦斯涌出量高易造成瓦斯超限的安全难题,应用采动裂隙椭抛带理论,在分析特厚煤层综放开采覆岩破坏特征的基础上,采用物理相似模拟和UDEC数值模拟试验研究了采空区覆岩"三带"演化规律,建立了采动裂隙椭抛带数学模型,确定出了覆岩裂隙瓦斯抽采有利区,提出了低-中-高位钻孔相组合的瓦斯抽采方案,并进行了工程应用。结果表明:2303综放工作面垮落带高度为33 m,断裂带高度为110 m,距离煤层底板35 m以上55 m以下与外椭抛面交集的范围为瓦斯抽采的有利区域;通过低-中-高位钻孔抽采方案的实施,上隅角瓦斯浓度小于0.6%,回风巷瓦斯浓度小于0.5%,有力保障了工作面的安全高效回采。     

采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析

煤层开采后,覆岩采动裂隙分布特征与卸压瓦斯抽采密切相关。基于相似原理,进行了覆岩采动裂隙分布特征的物理相似材料模拟实验。根据实验中裂隙带及压实带的拟合曲线,说明覆岩采动裂隙分布特征是椭抛带形态。通过观测覆岩裂隙的裂隙密度、离层率、带宽及碎胀特征,进一步研究了采动裂隙椭抛带的发育、发展规律。最后在试验分析的基础上,推导出采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型,为确定合理的卸压瓦斯抽采钻孔终孔位置提供了依据。     

采高对采动卸压瓦斯富集区影响的试验研究

为研究采动覆岩中卸压瓦斯富集区的影响规律,以采动裂隙椭抛带理论为基础,建立采高影响下采动卸压瓦斯富集区的模型,运用物理相似模拟试验方法,以山西某高瓦斯矿井主采工作面为原型,揭示综采工作面采动卸压瓦斯富集区的采高控制机理。研究结果表明:随着采高的增大,三带高度也逐渐增大,采高与采动覆岩裂隙的三带高度呈现线性关系,采高与三带高度的拟合曲线斜率处于2～4范围之间。而随着工作面推进,上覆岩层逐渐形成了压实区和裂隙区,压实区随着采高的增大而变小,裂隙区随着采高的增大而变大。通过对不同采高的各岩层的离层量拟合关系分析,发现不同采高开挖后形成的裂隙形态呈现对称的椭抛面,最后通过拟合关系建立了采高影响下的二维采动卸压瓦斯富集区的模型,为采动覆岩卸压瓦斯富集区的识别提供一定的理论基础。     

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%。     

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。     

厚煤层分层开采覆岩破坏与变形规律的试验研究

为了研究离石矿区上覆松软结构的厚煤层分层采动下裂隙分布及演化规律,采用工程地质力学模型试验的手段,分析研究了分层开采条件下,覆岩裂隙发育的工程地质力学机理及控制因素;揭示了采动影响下覆岩裂隙是至下而上呈梯形分布的破坏与变形规律。在第一层回采完的导水裂隙发育高度为40m,第二层回采完时裂隙贯通整个覆岩层。为工程实践和采矿安全提供理论依据。     

厚煤层分层开采覆岩破坏与变形规律的试验研究

为了研究离石矿区上覆松软结构的厚煤层分层采动下裂隙分布及演化规律,采用工程地质力学模型试验的手段,分析研究了分层开采条件下,覆岩裂隙发育的工程地质力学机理及控制因素;揭示了采动影响下覆岩裂隙是至下而上呈梯形分布的破坏与变形规律。在第一层回采完的导水裂隙发育高度为40m,第二层回采完时裂隙贯通整个覆岩层。为工程实践和采矿安全提供理论依据。     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

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。     

上覆煤层开采围岩变形规律研究

为了研究上覆煤层开采围岩变形规律,确保下伏煤层的安全开采,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了上覆煤层开采过程中煤岩体的垂直应力变化情况、煤层顶板垂直应力与工作面推进距离关系以及上覆煤层开采围岩变形特征。研究得出,随着上覆煤层的不断推进,工作面下伏煤层支撑应力呈“M”型分布;随着工作面的不断推进,下伏煤层应力形成应力恢复区、膨胀变形区和压缩区3个区。     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

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。     

基于FLAC和Fluent数值模拟的煤层瓦斯运移规律研究

为了研究煤层瓦斯运移规律,确保矿井的安全生产,采用FLAC和Fluent数值模拟相结合的方法,分析了多孔介质瓦斯运移特征,研究了回采工作面瓦斯来源,主要由开采层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出2部分组成,得到了煤层初始瓦斯含量与残存量的关系以及回采工作面瓦斯涌出量预测结果,模拟分析了不同钻孔直径下的周围煤体塑性区分布以及不同钻孔直径下抽采钻孔抽采影响范围。研究为实现煤与瓦斯共采提供了借鉴。     

“两软一硬”厚煤层综采工作面超前扩巷施工技术研究与应用

某矿204综采面运输巷掘进期间,进入厚煤层时,由原来的沿顶掘进逐渐进入托顶煤施工,22204综采面回采期间,厚煤层区域由于巷道变形严重,不能满足采面安全生产的需要,同时也为了满足后期沿空留巷的需求,需要对22204运输巷进行扩巷、沿顶施工。在厚煤层中进行扩巷,由于之前托顶煤施工,顶煤最厚处达到3 m,若要沿顶施工,巷道中高将达到6 m左右,且扩巷后由于断面大,更容易导致巷道变形。针对厚煤层扩巷施工方面存在的问题,通过对综采工作面超前扩巷施工技术的研究,采用分层作业以及顶板打注浆锚杆、锚索,帮部打设锚索梁的方式,成功解决了厚煤层扩巷施工的难题。研究为地质条件类似的矿井在厚煤层综采工作面超前扩巷施工提供了参考。     

水平分段综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征

为了深化急倾斜特厚煤层水平分段综放工作面瓦斯灾害理论和技术,分析总结了工作面瓦斯涌出来源,实测了工作面瓦斯浓度分布,利用分源法与估算法对采空区瓦斯涌出量进行了计算,得到了瓦斯浓度沿工作面长度和垂直断面方向的分布规律。研究表明:工作面瓦斯浓度沿风流方向逐渐增大,沿工作面走向断面分布不均,受采空区瓦斯涌出、瓦斯抽采及通风影响,采空区侧的瓦斯浓度高于煤壁侧,考虑瓦斯抽采影响,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的85.08%。因此,建议工作面在开采过程中,采用采空区、邻近层抽采及下部煤体卸压拦截抽采的综合措施防治瓦斯灾害。     

综采一次采全高覆岩导水裂缝带高度综合探测及其演化分析

为了保证煤矿的安全生产,采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统2种方法,对何家塔煤矿5-2煤层采后不同时期覆岩导水裂缝带高度特征进行了综合探测;同时开展了厚煤层分层开采及厚煤层放顶煤开采统计公式法与实测结果的差异性特征分析及其适应性论述;并对采后不同时期覆岩破坏裂缝带高度演化特征进行了分析。研究结果表明:何家塔煤矿5^-2煤层采后覆岩破坏导水裂缝带高度为74.33 m,裂采比为21.24。厚煤层分层开采公式法和厚煤层放顶煤公式法计算结果与综合探测法实测结果相对误差分别为36.23%和7.62%。在没有现场实测数据的前提下,研究区覆岩破坏导水裂缝带高度可参考厚煤层放顶煤开采公式计算。停采时间相对较短情况下,覆岩导水裂缝带高度发育较大,裂缝规模较为明显,随着停采时间的推移,由于压实作用,覆岩导水裂缝高度会逐渐降低,裂缝规模逐渐减小。     

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。     

厚煤层巷道矿压显现规律研究

针对厚煤层开采时矿压对巷道的影响的问题,从理论和实践上阐述位于厚煤层内的区段集中巷、采区上（下）山及大巷整个服务期间采动影响过程中的矿压显现规律和围岩变形,以及厚煤层巷道的维护技术。利用FLAC^3D数值模拟软件,分别分析了采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板压力规律以及采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板位移规律。提出要掌握巷道的围岩性质及其对巷道维护的影响,合理确定护巷煤柱宽度,在邻近煤层开采中,采用上部煤层在厚煤层上方跨采,或者厚煤层巷道开掘之前上部煤层预先开采等卸压措施。从而避免了厚煤层开采过程中矿压对巷道的影响,保证了煤矿的安全高效回采。     

平顶山八矿突出煤层瓦斯地质控制特征

运用瓦斯地质理论,以平顶山矿区八矿为研究对象,基于地质构造对区域、矿区和井田瓦斯赋存的控制特征,研究了三级构造对平顶山八矿突出煤层瓦斯赋存的地质构造逐级控制特征。研究表明：区域构造奠定了平顶山矿区高瓦斯的基调;矿区构造将平顶山矿区划分为东西2个瓦斯赋存单元,瓦斯赋存以李口向斜呈轴对称分布;井田构造控制着矿井突出煤层的瓦斯赋存和构造煤分布,造成煤层瓦斯突出危险呈条带分布,合理划分出煤与瓦斯突出发生有利地带。