覆岩采动裂隙中瓦斯渗流特性数值模拟

运用RFPA-flow数值模拟软件,对关键层位于距离煤层顶板30 m处开采过程的上覆岩层垮落现象及随工作面推进过程中上覆岩层中瓦斯气体渗流速度变化规律进行了数值模拟。通过对实验结果的分析可知,开采过程工作面前方形成了卸压区、应力集中区、稳压区、原岩应力区,上覆岩层的来压步距为15 m左右,上覆岩层中瓦斯渗流速度随煤层的开采,呈现出先升高,后降低,再升高的变化趋势。     

综放工作面过断层瓦斯涌出特征及关键影响因素分析

为了保证低瓦斯赋存高强度开采工作面过断层构造时的安全生产,选取王家岭矿12302工作面DF16断层为研究对象。首先对该断层的应力状态和断层区域瓦斯运移的影响进行了分析;然后采用现场测定手段,探明了断层区域煤层瓦斯赋存特征,分析了工作面过断层前后的瓦斯涌出规律;最后通过现场观测,掌握了断层区域工作面瓦斯涌出特征,进一步揭示了造成瓦斯异常涌出的关键因素。研究结果表明：12302工作面DF16断层构造区域煤层瓦斯含量明显大于断层前后正常回采区域,并且断层上盘煤层瓦斯含量大于下盘;工作面在断层构造区域瓦斯涌出均明显大于之前正常回采区域;瓦斯涌出主要来源于本煤层割煤时破碎煤体解吸及新暴露煤体释放的瓦斯,断层构造区域煤层瓦斯含量增大、割煤速度增加是导致工作面瓦斯涌出显著增大的关键影响因素。研究结果为类似条件矿井瓦斯治理工作提供了针对性指导。     

基于能量源-能量耗散理论的突出煤层最优掘进速度判定

以南山矿某工作面为例,对不同工作面掘进速度下的前方煤体内应力状态、煤体的透气性及瓦斯压力(或梯度)分布的变化规律进行了分析,并给出了各参数与距工作面距离的函数关系。最后依据分析结果,利用能量源-能量耗散理论对南山矿某工作面不同掘进速度下的突出危险性进行了判定,给出了安全合理的掘进方案,并取得了成功。研究结果表明:随着工作面掘进速度的提高,前方煤体内的峰前区减小、应力集中系数增加、煤壁附近煤体透气性增强、高透气性区域减小、前方煤体内瓦斯压力梯度增加、低瓦斯压力(或低瓦斯含量)区域减小,煤层突出危险性增强。     

放顶煤开采初期放煤口附近煤体瓦斯压力分布规律研究

放顶煤工作面前方煤体瓦斯运移主要是沿煤层层面向已采空间的渗流,在综放工作面循环向前推进时,煤体瓦斯渗流场结构发生变化。为进一步探索综放工作面前方煤体瓦斯压力的分布变化规律,有效地进行瓦斯综合治理,运用ANSYS10.0的瞬态分析模块进行了综放工作面附近煤体瓦斯压力模拟分析。研究表明,综放工作面在推进过程中前方应力降低区瓦斯压力变化梯度大,在应力增高区瓦斯压力较高,压力梯度变化小;初放期在工作面前方附近首轮循环放顶煤形成的瓦斯压力梯度比第2轮循环形成的瓦斯压力梯度大。     

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。     

高瓦斯综放工作面超前支承压力与瓦斯涌出关系分析

工作面前方煤体内的瓦斯涌出量是整个工作面瓦斯涌出的重要组成部分。煤体内的瓦斯压力变化直接影响着瓦斯渗流速度,而工作面前方煤体的瓦斯压力变化又受煤体应力的影响,因此工作面超前支承压力与前方煤体瓦斯涌出存在着一定关系。对工作面前方煤体内瓦斯涌出与超前支承压力的关系进行了监测,通过监测结果进行分析并结合数值模拟,对超前支承压力与瓦斯涌出量的变化关系进行了分析。     

含断层煤层群开采围岩应力演化规律研究

采用FLAC3D数值模拟分析煤层开采过程中邻近煤岩体及断层应力分布特点、裂隙发育演化规律、及煤岩层卸压范围。结果表明:切眼、工作面前方、断层面和断层端部均出现不同程度的应力集中现象。当工作面推进距断层一定距离时,采空区上下方邻近煤层卸压瓦斯大量运移并集中在开采空间。断层面应力与工作面应力区叠加贯通,达到应力最大值,此时应对该范围内的瓦斯进行合理的抽采,避免裂隙带形成的瓦斯积聚造成瓦斯突出。     

采动条件下顺层低渗透瓦斯抽采数值模拟研究

为了研究煤层在采动条件下,工作面顺层低渗透瓦斯钻孔抽采效果的关键影响因素及煤体瓦斯抽采渗流规律,通过煤层瓦斯渗流控制方程、煤体孔隙率和煤体应力变形控制方程,构建了煤体瓦斯抽采条件下瓦斯流固耦合数学模型;基于多物理场数值分析软件（COMSOLMultiphysics）建立瓦斯抽采数值模型,分析了单孔钻孔距回采工作面不同距离和多孔排布回采工作面不同推进距离下抽采瓦斯压力和消突区域分布。结果表明,抽采钻孔周边瓦斯压力逐渐降低,最终趋于稳定,钻孔距回采工作面越近,瓦斯压力下降速度越快,抽采效率越高,且消突区域随着开采推进距离增大而增大。研究结果为工作面瓦斯抽采钻孔参数的设计优化提供了有益的参考。     

煤层注水在煤巷掘进防突中的应用

设计了煤巷掘进工作面前方煤层注水系统,测定了煤层注水前后工作面前方煤体钻孔中的钻屑量,以及瓦斯突出指标K1和△h2值。结果表明:煤层注水后,钻屑量峰值位置比注水前往深部移动约1m,说明煤体前方应力峰值也向深部移动相应的距离;与注水前相比,注水影响范围内,K1值降低了63.8%,△h2值降低了50%,说明注水有效地降低了煤体的煤与瓦斯突出危险性。     

自卸压综合抽放技术在突出煤层中的应用

针对逢春煤矿急倾斜煤层透气性低、预抽瓦斯时间长、防突掘进工作面局部防突措施工程量大、安全威胁大、生产效率低的问题,提出了利用俯伪斜自卸压综合抽放技术提高急倾斜单一严重突出煤层瓦斯抽放率,防治煤与瓦斯突出的技术。该技术在逢春煤矿S1862工作面的应用结果表明：台阶回采后对下部煤体的卸压保护范围达到7.60～9.97 m,工作面每个台阶推进速度在3～19m/班,平均推进度在7 m/班。因此自卸压综合抽放技术能有效地减弱煤与瓦斯突出危险性,并显著减少回采期间的瓦斯涌出量,通过伪倾斜正台阶采煤方法的自卸压原理可确保回采前方煤体不处于煤与瓦斯突出的危险状态。     

深部煤层开采诱发断层活化突水研究

通过对断裂带从原岩初始状态到活化状态的分析,得出受采动影响产生的渗流场和应力场的耦合作用使得高承压含水层上煤层底板断层活化致灾,总结了断层活化突水影响因素;采用UDEC4.0软件内置的稳态流动分析算法建立渗流-应力耦合模型,模拟了刘桥一矿Ⅱ6611工作面断层活化过程,分析得出工作面推进距离断层区35～55 m范围时,断层破碎带和工作面超前支承应力影响形成的破碎裂隙很有可能成为高承压水与工作面回采空间的贯通通道。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

深孔爆破技术在采面补充瓦斯灾害治理中的应用

四川华蓥山龙滩煤矿属于煤与瓦斯突出矿井,井田内断层构造发育,3124S采面巷道掘进过程中,揭露1条影响工作面走向长160 m,落差达0.2～2.8 m的极复杂走向断层。目前矿井采面走向断层瓦斯灾害治理主要还是依靠高密度顺层预抽钻孔预抽煤层瓦斯,技术手段较为单一,易形成抽采盲区,给后期回采作业带来极大安全威胁。矿井研究的深孔爆破技术在3124S工作面瓦斯治理应用中,起到了快速提高煤层透气性,改善瓦斯抽采效果,增大瓦斯预抽率等作用,扭转了采面瓦斯灾害治理差的被动局面,消除了制约采面过断层的最大安全威胁,安全和经济效益明显。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

松树镇煤矿瓦斯地质规律及瓦斯防治措施研究

运用瓦斯地质理论和方法,分析了松树镇煤矿地质因素对煤与瓦斯突出的影响及回采工作面瓦斯涌出特征。结果表明,地质构造和煤层埋深是影响煤层瓦斯赋存主要因素,而煤与瓦斯突出主要受地质构造影响,在地质构造带应力较集中,煤体结构遭到破坏,瓦斯含量及压力增大,容易导致煤与瓦斯突出事故发生;回采工作面瓦斯涌出以采空区瓦斯涌出为主,约占46.62%。在此基础上提出了优化通风系统、完善瓦斯监测预测和加强瓦斯抽采等瓦斯综合防治措施,为松树镇煤矿安全生产提供技术保障。     

采动过程中瓦斯抽采流量与煤层支承应力的相关性研究

煤层中的瓦斯流动是一个瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程。以松藻煤电有限责任公司松藻煤矿3211采煤工作面现场试验为基础,通过现场监测工作面采动过程中的煤层支承应力变化和本煤层瓦斯抽采流量变化,对工作面附近煤层支承应力和瓦斯抽采流量之间的相关性进行了研究。研究结果表明：随着采煤工作面的推进,煤层实测支承应力依次经历了低-高-低的过程,可以划分为卸压区、应力集中区和原岩应力区,并在工作面前方15~25 m处达到峰值。在煤层卸压区,煤层内孔隙、裂隙发育贯通,透气性增大,瓦斯抽采流量增大,在煤层支承应力集中区,煤层内裂隙收缩闭合,煤层透气性减小,瓦斯抽采流量也减小,在煤层原岩应力区,煤层透气性变化不大,瓦斯抽采流量趋于稳定。基于工作面煤层支承应力与瓦斯抽采流量的相互关系,以处于原岩应力区的煤层支承应力和瓦斯抽采流量为基准,构建了瓦斯抽采流量的负指数表达式     

断层对掘进工作面煤与瓦斯突出影响研究

针对煤与瓦斯突出多发生在煤层掘进巷道原因和机理不清楚的现状,采用数值模拟方法分析地质构造引起煤岩体强度降低后工作面前方应力场、能量场分布特征,研究断层构造对掘进工作面煤与瓦斯突出的影响。研究结果表明:掘进工作面前方断层带周围煤岩体强度明显低于其他区域,煤岩体强度降低导致应力场、能量场分布不均衡是引起煤与瓦斯突出的主要因素。     

采掘叠加集中应力区的防突措施效果分析

煤层回采工作面会在工作面前方一定范围内形成应力集中区,而在应力集中区进行采掘活动时,会导致集中应力的叠加,容易诱发煤与瓦斯突出事故。以某矿煤巷掘进工作面通过上覆煤层工作面停采线应力集中区为实例,对区域和局部防突措施效果进行了分析,结果表明,在工作面停采线应力集中的影响范围可达周围40 m,尤其是在工作面前方,瓦斯排放钻孔对缓解应力集中影响有明显效果。     

动态回采工作面煤壁瓦斯涌出数值计算及现场应用

为了准确预测计算动态推采期间回采工作面煤壁瓦斯涌出量,以超化煤矿22051综采工作面为研究对象,建立煤层多组分瓦斯含量-压力赋存模型,考虑了工作面推进速度、采动影响下煤层渗透率变化,通过引入移动坐标系和采动作用下工作面前方煤层渗透率分布模型,构建了动态推采期间工作面煤壁多组分瓦斯涌出数值计算模型,采用有限差分法编制相应的解算程序,模拟计算回采工作面煤壁瓦斯涌出量。以瓦斯平衡方程、风量平衡方程为基础构建工作面瓦斯涌出量分源测算数学模型,结合工作面现场风量瓦斯分段测定法,实测了工作面煤壁瓦斯涌出量。对比分析了22051工作面煤壁瓦斯涌出量数值模拟结果与实测结果,研究表明:该工作面煤壁瓦斯涌出数值计算模型中工作面平均日推进速度参数应该由该工作面25～35 d的实际推进度计算得到,工作面回采进尺状况对工作面煤壁前方煤层瓦斯渗流运移具有重要影响作用,该工作面在当前开采条件和煤层瓦斯赋存渗流条件下,工作面煤壁瓦斯涌出量取决于25～35 d的工作面回采进尺状况,工作面煤壁瓦斯涌出存在明显的时间累加与延迟效应。     

赵口断层对煤层瓦斯赋存的控制作用

引用经典的Anderson断层模式分析了正断层形成的应力状态,在此基础上分析了正断层两盘的裂隙发育情况,以安徽淮北童亭煤矿边界断层赵口断层为研究背景,通过7#煤层瓦斯压力的测定及回采工作面瓦斯涌出量统计分析,越靠近赵口断层瓦斯压力及瓦斯涌出量越小,验证了赵口断层对7#煤层瓦斯赋存的控制作用,并通过瓦斯涌出量反推7#煤层的瓦斯压力,采用多项式回归的方法对3个区域瓦斯压力进行预测,测压结果也验证了相关的预测。