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。     

基于覆岩裂隙发育规律的高位钻孔合理布置研究

为了保证矿井安全高效回采,解决工作面上隅角瓦斯问题,以覆岩裂隙发育规律为研究基础,对采空区顶板高位钻孔的合理布置方式进行研究。并以申南凹煤矿20102综采工作面为研究背景,采用相似模拟、理论分析以及现场试验多种方法综合研究,利用相似模拟二维实验研究20102综采工作面回采期间覆岩裂隙发育规律,确定覆岩随工作面回采过程中压实区、裂隙区等分布变化规律。研究结果表明：在时间次序上覆岩裂隙随工作面回采经历横向裂隙发育、纵向裂隙发育、裂隙场扩张、裂隙重新压实的推进演化过程,其中裂隙扩张区为高位钻孔的合理布置位置,能够有效地提高钻孔抽采效率,高位钻孔的合理布置层位位于裂隙带距顶板30～50m范围内,能够合理地保证钻孔成孔率以及高效抽采效率,有效地降低上隅角瓦斯浓度(达到0.4%左右),并且能够稳定保持。     

基于采空区瓦斯运移规律的抽采钻场设计

为了对高瓦斯工作面采空区抽采钻场进行设计,使采空区及工作面上隅角瓦斯得到有效控制,通过数值模拟分析了采场覆岩结构及裂隙发育规律;根据模拟结果利用实验室试验分析了抽采钻孔在不同位置时采空区瓦斯的运移规律,得出终孔位置距煤层顶板上方30m左右,距回风巷水平距离10～20m时抽采效果最佳;且终孔高度应根据工作面覆岩结构形态有所区别,靠近回风巷的钻孔高度应控制在规则冒落带上部,靠近工作面中部的钻孔应布置在裂隙带内。     

煤与瓦斯突出矿井工作面顶板高位钻孔优化设计

为提高瓦斯抽采率,基于采场围岩裂隙发育特征及瓦斯流动规律,采用UDEC数值模拟软件模拟祁南煤矿342工作面在推进时的覆岩裂隙发育规律,优化工作面顶板高位钻孔设计方案。研究结果表明:当工作面推进速度5 m/d时,裂隙发育和瓦斯积聚区距煤层顶板12~22 m,在高位钻孔的层位控制范围,高位钻孔倾向控制范围优化为距回风巷9~36 m,钻场间钻孔的压茬距离35 m。祁南煤矿342工作面顶板高位钻孔按优化方案设计施工,单孔最大瓦斯抽采体积分数达84%,高位钻孔瓦斯抽采率达50%以上,工作面回风流的瓦斯体积分数控制在0.6%以下,保证了工作面的安全开采。     

厚硬顶板特厚煤层采空区瓦斯综合治理技术研究

为了解决厚硬顶板冲击特厚煤层采空区瓦斯涌出治理问题,根据煤岩层赋存条件,通过建立厚硬顶板冲击煤层工作面的力学模型,运用UDEC数值计算并理论分析了冲击煤层开挖后覆岩结构、裂隙发育特征及竖向"三带"高度,首次为厚硬覆岩工作面采空区提出高位长短距离钻孔联合防控瓦斯灾害防治技术,效果表明:工作面回采期间上隅角瓦斯浓度不超过0.5%,回风流瓦斯浓度不超过0.2%,工作面抽采瓦斯纯量达8 000 m~3/d,工作面瓦斯抽采率达到70%,实现了工作面的安全回采,从而减小安全隐患。     

改进抽放方法提高瓦斯抽放效果

分析了回采工作面回采过程中顶板覆岩卸压移动规律及其顶板覆岩结构与关键层层位对覆岩移动规律的影响,提出了利用采动煤层顶板覆岩卸压裂隙发育特征,实施覆岩卸压区走向长钻孔抽放瓦斯.给出了顶板走向长钻孔卸压抽放的合理布置区域,并在抽放钻孔内下入套管,增加了钻孔有效抽放时间和长度,完善了顶板走向钻孔抽放瓦斯的技术,取得较为理想的瓦斯抽放效果.     

高瓦斯综采工作面定向钻孔代替尾巷抽采瓦斯技术

针对高瓦斯综采工作面U型通风条件下上隅角瓦斯超限问题,分析了定向钻孔代替尾巷抽采卸压瓦斯的必要性及可行性,阐述了卸压瓦斯抽采原理;利用物理相似模拟及理论分析,分析了采动覆岩裂隙演化规律,确定了定向钻孔参数,并进行现场工程应用。结果表明:随着工作面推进,试验工作面采动覆岩形成不规则冒落带、规则冒落带、裂隙带、弯曲下沉带,其中规则冒落带高度为17.9 m(采高的4.48倍),裂隙带高度为60.36 m(采高的15.09倍);定向钻孔与回风巷平距为8～20 m,与煤层顶板垂距平均18.5 m;利用定向钻机施工钻孔偏移量较小,定位准确,瓦斯抽采纯量平均6.37 m~3/min,占瓦斯涌出量的8.59%,实现了定向钻孔代替尾巷治理瓦斯效果,保证了工作面安全回采。     

掘进瓦斯异常影响因素及治理技术研究

为研究受采动影响掘进工作面瓦斯异常原因，利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件分析了上覆己组工作面回采后下部煤层的应力、渗透率变化；并通过在回采工作面卸压区域施工测试钻孔，分析卸压后煤层瓦斯涌出情况。结果表明，当上覆工作面回采后对下部煤层起到了一定的卸压作用，煤层渗透率增加至0.026μm2，导致卸压煤层内瓦斯极具解吸，从吸附态变为游离态。当采动裂隙或原生裂隙导通卸压瓦斯后，大量瓦斯涌入掘进巷道，造成瓦斯涌出异常。基于卸压瓦斯，在掘进工作面顶板超前施工抽采钻孔，对卸压瓦斯进行抽采，较好地解决了瓦斯异常涌出问题，保证了安全、高效掘进。     

大采高工作面采动围岩活动与瓦斯涌出关系

为了研究大采高工作面采动围岩活动与瓦斯涌出的规律,现场实测斜沟煤矿18205工作面的液压支架支护阻力、超前支承压力及瓦斯涌出量,分析回采时支架支护阻力、超前支承压力的变化情况,根据现场实测工作面瓦斯涌出量,确定采动活动与瓦斯涌出的关系。结果证明:18205工作面矿压显现增大时,瓦斯涌出量显著升高;在周期来压时煤岩体卸压增流,工作面瓦斯涌出量明显升高。在周期来压期间覆岩裂隙通道受到挤压和冲击作用,高浓度的瓦斯流涌向工作空间,导致高位钻孔瓦斯抽采量明显增加,其与来压步距基本一致,且高位钻孔能有效拦截采空区及邻近层瓦斯,有效保障了工作面安全回采。     

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。     

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。     

高位瓦斯抽采巷位置的确定及参数设计模拟研究

为解决常村煤矿工作面巷道采用“两进两回”设计,煤损失量大,瓦斯抽采效率低问题,利用FLAG3D模拟回采过程中上覆岩层破坏规律,确定了距3号煤层顶板31m处的K8岩层为关键层,采用UDEC模拟回采过程中上覆岩层裂隙发育及分布规律,得到工作面走向方向裂隙发育区域为距开切眼后方5～48 m;竖直方向裂隙发育区域垂高距煤层顶板21～31 m;开切眼上方采空区断裂带宽度约为40 m,工作面上方断裂带宽度约为48 m;巷帮两侧裂隙发育区域宽度略小于40 m.根据现场对2103工作面邻近S-39工作面裂隙带测试结果,表明上覆岩层裂隙发育带位于煤层顶板36 m范围内,与数值模拟结果比较吻合.根据数值模拟与现场测试结果,设计了2103工作面高位瓦斯抽采巷参数:水平层位距回风巷30～45 m,竖直层位距煤层顶板约27 m.     

平舒矿81112综采面采动影响下覆岩裂隙破坏规律研究

为达到高效抽采瓦斯,确保工作面安全生产的目的,同时充分合理利用瓦斯资源,针对平舒矿81112工作面,釆用理论分析、相似模拟、CDEM数值模拟,研究了采空区上覆岩层运动和裂隙分布规律,得到了工作面基本顶初次破断和周期破断距离,覆岩裂隙发育高度及演化形态,确定裂隙发育环三维位置和范围,确定高抽巷或高位钻孔及地面水平定向钻孔最佳的位置,达到高效抽采瓦斯的目的。     

基于封堵测漏法探测顶板裂隙带动态演化规律

以沙曲二号矿4#煤层为背景,应用“三带”划分计算模型得到工作面顶板覆岩裂隙带高度,应用井下钻孔双端封堵测漏法探测工作面顶板覆岩裂隙带动态演化规律,结果表面,裂隙带发育高度29.5～32.5 m,综合理论计算及现场测试结果,得到工作面顶板裂隙带高度27 m。为该矿井确定高效钻孔瓦斯抽采关键层位提供理论依据,也可为其他采用切顶成巷的沿空留巷开采方式的矿井瓦斯抽采提供参考依据。     

裂隙带抽采在漳村煤矿综采工作面的应用

针对漳村煤矿2503工作面回采过程中上隅角超限问题,通过对工作面上覆岩层垮落特征分析,研究在回风巷顶板打设高位裂隙钻孔抽采采空区裂隙带瓦斯进行治理。回采过程中钻孔瓦斯抽采量随工作面推进先增大后减小,上隅角和回风流瓦斯涌出量逐渐降低,工作面上隅角瓦斯未出现超限现象。     

采场覆岩裂隙发育规律及高位钻孔优化

采空区覆岩裂隙发育规律严重影响着高位钻孔的抽放效果,采空区裂隙发育充分的区域是高位钻孔理想的抽放范围,以临涣煤矿Ⅱ926工作面为研究对象,采取理论及数值模拟相结合的方式对采空区覆岩裂隙发育规律进行分析,找出裂隙充分发育区域,优化布置了高位钻孔参数,现场的实践表明,优化后的高位钻孔对采空区瓦斯抽采、防止工作面瓦斯超限作用效果良好,可以在类似矿区推广应用。     

采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率,消除工作面上隅角瓦斯超限事故,以山西华晋吉宁煤业有限责任公司2102综采工作面为研究对象,采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法,利用3DEC软件模拟计算2102综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程,根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围,工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区,处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域,钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率,揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制;在此基础上,在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔,进行钻孔瓦斯抽采效果考察,研究结果表明:在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下,最佳布孔层位为距煤层底板60 m左右,同时在高位试验钻孔作用下,上隅角瓦斯体积分数最大值由1.1%降低至0.6%,说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围,布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度。     

煤与瓦斯共采技术在石炭井焦煤公司的应用

针对石炭井焦煤公司2474工作面采空区瓦斯涌出量较大以及上隅角瓦斯超限情况,根据焦煤公司煤层瓦斯赋存特征,探讨了适合该矿井的煤与瓦斯共采技术,在工作面回采过程中,回风巷处设计高位裂隙带瓦斯抽采钻孔对本煤层瓦斯进行抽采。通过模拟分析采场覆岩移动规律,确定了采场瓦斯卸压范围,优化了煤与瓦斯共采方案,提高了瓦斯抽采率,有效地解决了2474工作面上隅角及回风瓦斯超限问题,成功地实现了煤与瓦斯共采。     

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%。     

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。