关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带” 范围的影响

采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,就覆岩关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩导气裂隙带内是否存在关键层将对覆岩瓦斯卸压抽采范围起到十分明显的影响作用。在相同开采条件下,覆岩裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断将引起导气裂隙带高度突增,其高度明显高于经验公式计算高度并止于该关键层上方另一层关键层之下;卸压解吸带高度止于覆岩中尚未发生破断且下方存在离层空间的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。     

工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响

为了进一步完善煤与瓦斯共采理论,促进煤与瓦斯双能源安全高效开采,基于关建层理论,采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移"三带"范围的影响规律。结果表明:在不同工作面面宽条件下,覆岩关键层的移动、破坏形态将对瓦斯卸压运移"三带"范围起到明显的影响作用。如果随着工作面面宽的加大导致覆岩关键层完全破断,则导气裂隙带高度将突增至该关键层上方一层未发生破断的关键层之下,若关键层未完全破断,则导气裂隙带高度稳定在该关键层之下;卸压解吸带高度止于上覆岩层中尚未破断且下方存在离层裂隙的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。研究结果的可靠性得到了工程实测的验证。     

复合关键层综放开采瓦斯运移与抽采耦合规律研究

针对复合关键层工作面开采后覆岩裂隙演化及瓦斯运移涌出耦合规律,以王家岭煤矿12313综放工作面为工程背景,通过研究工作面推进后覆岩活动、裂隙演化情况,得到工作面覆岩裂隙分布特征,建立数值模型,分析卸压瓦斯运移规律。最终将研究结果应用于12313综放工作面现场瓦斯治理及效果检验。结果表明：12313综放工作面复合关键层初次破断步距为49.84m,走向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为121.1m,切眼侧和工作面一侧的裂隙区宽度分别为45.6m和44.6m,切眼和工作面的垮落角分别为62°和60°,倾向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为115m,运输巷一侧和回风巷一侧的裂隙区宽度分别为37m和40m,运输巷和回风巷的垮落角分别为62°和63°;12313综放工作面施加“高位定向钻孔+回风巷埋管”抽采措施后,回采过程中上隅角最大瓦斯浓度能够保持在安全范围内,当埋管口深度为17.3m时,上隅角瓦斯浓度达到0.478%,有效解决了上隅角瓦斯超限及积聚问题,可为类似条件下采煤工作面瓦斯治理提供参考。     

特厚煤层综放开采定向长钻孔瓦斯抽采技术

为了解决玉华煤矿特厚煤层综放开采条件下采空区瓦斯涌出量大的问题,开展特厚煤层综放工作面覆岩裂隙演化物理相似模拟实验。掌握特厚煤层采动覆岩裂隙分布特征、“三带”高度及底板应力变化规律,以此为基础设计试验工作面采空区瓦斯抽采钻孔的合理层位,最终以卸压瓦斯抽采效果为考察指标,利用定向长钻孔代替常规高位钻孔对抽采钻孔层位布置的合理性进行验证。结果表明,工作面冒落带高度22 m,冒采比2.2,裂隙带高度140 m,裂采比14。参考矿井实际顶板垮落情况,确定顶板定向长钻孔的3个合理终孔层位分别为7 m、15 m、40 m。通过瓦斯抽采效果对比得到定向长钻孔的瓦斯抽采浓度和有效抽采距离均比普通钻孔提高了1倍以上,抽采效果良好。     

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%。     

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。     

工作面煤与瓦斯共采技术实践

山西某综放工作面瓦斯治理难度大,针对该工作面进行了煤与瓦斯共采实践.在采煤过程中.工作面布置了φ325 mm和φ219 mm两条抽放管路,该矿充分利用覆岩移动对瓦斯的卸压作用,并根据岩层移动规律来优化了抽放方案、提高了抽出率,成功地实现了煤与瓦斯共采.采取的抽采工艺有顶煤高位钻孔抽采瓦斯、采空区上隅角插管抽采放和钻场覆岩裂隙带抽采.     

高瓦斯综放开采覆岩导气裂隙带高度演化规律研究

为探究高瓦斯厚煤层综放开采覆岩裂隙带高度演化规 律,以主焦煤矿2303综放工作面为研究背景,通过正交试验 研究了采厚、硬岩比例系数、煤层倾角、采深等因素对综放面 导气裂隙带发育高度的影响特征,总结了各因素与导气裂隙 带高度之间的关联性。通过 UDEC 软件模拟了综放面“两 带”覆岩运移特征,模拟结果为:工作面充分采动时垮落带高 度为21.7m,裂隙带高度为45.0m,台阶下沉现象明显。采 用钻孔窥视仪对2303工作面“两带”进行探测,对比采动前 后的覆岩裂隙情况可得:垮落带高度为20.7m,裂隙带高度 为44.3m,与数值模拟结果一致。     

高瓦斯煤层覆岩活动规律研究

为了提高高瓦斯煤层采空区覆岩卸压瓦斯抽采效果,以微震监测的技术手段,对采动过程中采空区覆岩微震事件进行监测并记录,据此对采空区覆岩的破裂特征进行分析得到采动裂隙带的空间位置,进而判定采动覆岩高位瓦斯富集区。监测结果表明:工作面在回采期间周期来压步距约20 m,采动裂隙带高度约45 m,以此确定了高抽巷的垂距在38 m时最为合理,并利用理论计算的方法对此进行了验证。     

申家庄煤矿瓦斯抽放钻孔合理布置层位研究

瓦斯抽放钻孔合理深度的研究,可以更加有效地抽采瓦斯。通过对申家庄煤矿2303工作面上覆岩"三带"进行分析,得出该矿2303工作面采空区垮落带高度为9.4~13.8 m,裂隙带高度为37.09~73.4 m,平均55.25 m。通过对U型通风方式下采空区瓦斯运移进行模拟,得出在距采面垂高45~60 m的范围内,是瓦斯富集区。综合分析上覆岩层三带高度和采空区瓦斯运移规律,得出2303工作面瓦斯抽放钻孔终孔位置处于采空区上方45~60 m范围裂隙带内。     

基于FEMLAB的采空区煤层自然发火影响因素数值模拟

为了解决采空区煤层气抽采效率低、采空区漏风、煤层自然发火等问题,建立了采空区流场和温度场耦合数学模型,利用FEMLAB软件对采空区气体流场分布进行了数值模拟,分析了有无抽采对采空区煤层气改变氧化升温带的主要影响因素,以此研究合理的抽采位置、抽采方法、抽采量及工作面推进速度。研究发现,在推进度v=2.0 m/d下,采空区经历了缓慢氧化、加剧氧化和激烈氧化3个过程,70 d后发生采空区自燃;在推进度v=2.6 m/d下,采空区在100 d后发生采空区自燃;采空区自燃危险区域应在35~280 m,自燃氧化带宽度约为245 m。     

RFPA~(2D)数值模拟在高位钻孔参数优化中的应用

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,以及有效提高高位钻孔瓦斯抽采效果的重要性,应用RFPA2D软件数值模拟祁南煤矿714工作面顶板垮落情况,初步分析了"竖三带"的煤层法向分布范围,并结合经验公式的计算结果,综合判定距71煤层顶板上方18.4～49.0m的岩层区域为裂隙带,高位钻孔法距参数的取值范围优化选择为18.0～34.0m。现场应用表明,高位钻孔的法距参数施工控制在20.0～35.0m时,钻孔抽采瓦斯体积分数均在30%以上,最大为53.2%。同时,高位钻孔的平均瓦斯抽采量为7.32m3/min,占工作面总瓦斯涌出量的60.6%,远高于采空区埋管技术的瓦斯抽采量,并且工作面的平均瓦斯抽采率提高到60.0%。     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明：利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m,钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m,二者绝对误差仅为0.45 m。     

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。     

大采高采场切顶卸压小煤柱护巷技术研究与应用

为解决大采高工作面强动压影响工况条件下小煤柱沿空掘巷维护难题,以阜生煤矿1102大采高工作面1106沿空掘巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,研究采空区侧顶板断裂对小煤柱护巷围岩稳定性的影响。建立了沿空掘巷侧向顶板断裂及煤柱载荷计算模型,得到煤柱载荷与采空区顶板断裂角呈线性递增的关系;基于切顶卸压沿空掘巷原理,提出采用切顶方法来减小煤柱载荷,达到卸压效果;计算得到1106工作面沿空掘巷煤柱宽度为8.0 m,对切顶卸压效果进行了数值模拟分析,认为经切顶处理后小煤柱及巷道煤帮侧应力峰值减小了23%,巷道顶底板及两帮变形得到了有效的控制;对切顶卸压小煤柱护巷技术进行了现场评价,现场应用结果表明切顶后的巷道顶底板移近量最终稳定在377 mm,两帮变形量稳定在242 mm左右,处于可控范围,巷道维护效果良好。切顶卸压小煤柱护巷技术的应用,实现了大采高工作面的安全高效开采。     

良庄煤矿上保护层开采卸压机理与保护范围数值模拟研究

以良庄煤矿3213、3214上保护层工作面为工程背景,研究分析了上保护煤层开采卸压机理,为确定上保护煤层开采后下部保护范围,运用FLAC3D数值模拟软件模拟了实际地质条件下保护层开采行为。研究表明：随上保护层开采范围的增加,底板一定范围内的煤岩层在采空区内部呈现卸压,卸压区内卸压效果明显,卸压范围逐渐增大,应力分布由“V”型分布逐渐变为“U”型分布,但边界处应力集中情况逐渐增大,应力峰值与范围增加。通过综合经验法和卸压准则判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面内错3214切眼位置19 m,停采线位置内错19 m,运煤巷内错17 m。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律研究

为了对条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律进行研究,采用理论分析、数值模拟及现场监测的方法,通过考虑采空区上覆煤岩体成拱效应,确定出煤柱支承压力分布情况。结合煤柱支承压力分布情况,根据玉华煤矿工程条件,采用ANSYS15.0软件模拟计算不同采空区宽度(100～260 m)、不同工作面埋深(400～600 m)的煤柱最大塑性区宽度,并对玉华煤矿2410工作面回风巷道护巷煤柱的最大塑性区进行监测。研究结果表明：依据所提出的煤柱支承压力计算方法,模拟计算出的煤柱最大塑性区宽度和现场监测结果一致。给出了确定煤柱支承压力分布的计算方法,以及依据该方法计算出的煤柱最大塑性区分布规律,可为煤柱留设宽度设计提供依据。     

高强综放开采覆岩破断与瓦斯涌出微震响应规律及应用

为了解决高强度综放开采条件下的工作面卸压瓦斯治理问题,本文以王家岭矿12302综放工作面为研究对象,采用微震监测技术对工作面推进过程中产生的微震事件进行监测记录,配合工作面瓦斯涌出量监测,对工作面在推进过程中上覆岩层的破断情况和裂隙演化进行了分析,得出了微震事件发生与瓦斯涌出定量的表征关系,然后对工作面高位钻孔布置参数进行了调整,并对调整后的钻孔抽采效果进行了检验。研究结果表明：12302工作面周期来压步距在21 m左右,采动覆岩裂隙带主要分布在采空区顶板两侧,高度在55 m左右。工作面瓦斯涌出量和微震事件的频次呈线性相关,拟合公式为y=4.82+0.003 7x,可以根据此公式和监测所得的微震事件频次来预测工作面的瓦斯涌出量。调整布置参数后的高位钻孔瓦斯平均抽采浓度为7.9%和抽采纯量为1.16 m³/min,表明抽采效果较好。     

中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望

为解决近距离煤层工作面回采过程中, 相邻煤层瓦斯易从导通的采动裂隙带大量涌入工作面, 带来瓦斯超限等安全问题,以山西小回沟煤矿近距离煤层开采为研究对象, 采用相似模拟试验和现场试验研究了该矿03^#、2^#煤层在重复采动影响下围岩应力—裂隙演化特征规律, 圈定了采场上覆岩层裂隙带范围, 确定了抽采钻孔合理位置, 提高了瓦斯抽采效果。试验结果表明：03^#煤层回采时,工作面推进至33、50 m时,离层最大发育高度分别为4、14 m,随工作面推进,离层最大发育高度为28 m;02^#煤层在03^#煤层裂隙带范围内,裂隙形成了瓦斯运移通道;工作面推进33 m时,开切眼后方覆岩支承压力增高,压力集中系数约为1.6,开切眼与工作面之间出现卸压区,工作面前方出现应力增高区,压力集中系数约为1.6,随着推进距离的增加,支承压力集中系数增加至2.74;2^#煤层回采时,采空区两端出现明显的竖向裂隙,与03^#煤层原有裂隙相贯通,并扩大贯穿至模型顶部,覆岩支承压力集中系数由2.55下降至1.95。现场试验中,将2201工作面高位钻孔终孔控制在采空区上方30~35 m裂隙发育区,回风巷瓦斯浓度由0.78%降至0.35%,取得了良好的瓦斯治理效果。