低渗透煤与瓦斯的固-气动态耦合模型及数值模拟

为了解低渗透煤体的瓦斯渗流机理,开展了低渗透煤体的变形与瓦斯渗流的相互作用规律研究.根据低渗透煤体的瓦斯渗流特性,确定了煤体渗透率的动态变化模型;通过建立煤层瓦斯渗流方程与煤体的变形场方程,引入煤体孔隙率的动态变化模型,定义了研究问题的初始及边界条件,推导得到了低渗透煤与瓦斯的固-气动态耦合模型.针时含瓦斯煤体试件的定解条件和模型参数,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:数值模拟预测的瓦斯渗透速度,与试验的实测结果吻合较好,且随着煤体渗透率减小,模拟结果更逼近实测结果,其最小误差为0.9%.     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

长综放面采动上覆煤层的瓦斯卸压规律研究

针对阳泉三矿15#煤长综放面开采对上覆138.5 m处3#煤瓦斯卸压的影响,采用数值模拟和工程实测相结合的方法进行研究.结果表明:15#煤采面长为252 m的综放面开采能使3#煤充分卸压.沿工作面推进方向,3#煤充分卸压边界滞后15#煤工作面35 m,对应的走向充分卸压角为75.8°;沿工作面倾向方向,从工作面上端内侧12 m到其下端内侧29.2 m之间范围内的3#煤得到充分卸压,对应的倾向上部和下部充分卸压角分别为85°和78.1°.3#煤充分卸压区域内的瓦斯抽采率达到88.43%,且开采期间未发生过煤与瓦斯突出,表明15#煤的开采能够有效地消除或降低3#煤开采期间煤与瓦斯突出和瓦斯超限的威胁,实现了煤与瓦斯安全高效共采.     

近距离煤层采场过上覆T形煤柱矿压显现规律

为对大柳塔煤矿21306工作面过上覆T形交叉煤柱矿压显现规律进行分析,运用理论分析和FLAC3D数值模拟,从煤柱内应力分布角度对T形煤柱的作用机理进行了分析。结果表明,上覆走向煤柱区下的工作面来压呈现对称性分布,且支架载荷普遍大于采空区下对应支架;上覆倾向煤柱区下的工作面推进过程中,分别在进入倾向煤柱、煤柱正下方以及出倾向煤柱呈现出3阶段不同的来压特征。上覆倾向煤柱对采场矿压影响明显大于走向煤柱,因走向煤柱与倾向煤柱的影响作用叠加,T形煤柱交叉区对工作面来压的影响程度则介于两者之间。煤柱上的集中应力分布是造成走向煤柱区以及进入倾向煤柱阶段采场矿压显现规律不同于其他区域的原因,而对于出倾向煤柱阶段工作面的动载矿压则是由于煤柱上方不稳定的关键块体结构的相对旋转运动造成的。     

开元煤矿低透气性本煤层超前卸压瓦斯抽放

通过实测对开元煤矿9404综放面利用工作面超前支承压力作用高效抽放低透气性本煤层瓦斯试验的效果进行了研究,结果表明:工作面前方的超前支承压力影响区是本煤层顺层瓦斯钻孔抽放量明显增大的区域,当工作面推进至距离瓦斯钻孔20～30m时,钻孔瓦斯抽放量开始明显增大;当工作面推进至距离瓦斯钻孔约7.6m时,钻孔瓦斯抽放量达到最大,钻孔最大抽放量平均达0.216m3/min。充分利用工作面前方的超前支承压力影响区提高本煤层瓦斯抽放量是治理低透气性煤层开采工作面瓦斯超限的重要途径。     

岩层移动对瓦斯抽放钻孔的破坏研究

煤层开采引起的岩层移动可能对卸压瓦斯抽放钻孔造成严重的破坏,并进而对瓦斯抽放工作造成不利的影响。基于煤层开采后的岩层移动规律,深入研究了卸压瓦斯抽放钻孔在采动影响下可能的破坏形式及力学分析,各种形式破坏可能发生的时间、位置和可能性,以及针对各种破坏的钻孔强度计算方法。     

浅埋煤层走向煤柱对支承压力影响的数值模拟研究

为研究浅埋煤层走向煤柱对近距离下部煤层工作面开采时支承压力的影响,运用FLAC3D软件对大柳塔煤矿21306工作面进行数值模拟。结果表明:当煤层埋藏较浅,对工作面开采带来的影响不大,但如果煤层间距变小或随着采深加大,影响的程度则会加大。     

新大地煤矿本煤层瓦斯超前卸压抽采试验研究

对新大地煤矿15101综放工作面利用工作面超前支承压力作用提高低透气性煤层瓦斯抽采效果进行了现场实测研究,结果表明:本煤层瓦斯抽采效果受工作面超前支承压力的影响十分明显,根据本煤层瓦斯抽采钻孔所处位置,其抽采效果可以大致分为4个时期:原始抽采期(工作面前方50 m以外)、抽采减弱期(工作面前方50~20 m)、抽采增长期(工作面前方20~7.38 m)及抽采衰减期(工作面前方7.38 m以内)。其中,抽采增长期和抽采衰减期钻孔瓦斯抽采纯量分别为原始抽采期的7.03倍和6.19倍,是本煤层瓦斯卸压抽采的最佳时期,该时期内钻孔抽采量占本煤层瓦斯抽采总量的57.83%。     

基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法.工程实测和理论研究结果表明：覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度,只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时,该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙,且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙.关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按（7～10）M（M为煤层采厚）估算.当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时,导水裂隙将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度;当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以外时,导水裂隙将发育至临界高度（7～10）M上方最近的关键层底部,导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度.上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别,其可靠性得到了工程实测结果的验证。     

松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究

 结合祁东煤矿松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题,开展松散承压含水层水位变化与顶板来压联动效应的实测与实验研究。结果表明：松散承压含水层水位下降超前于工作面压架突水,且水位下降速度基本保持不变。水位下降幅度和下降速度与工作面来压强烈程度密切相关,水位下降幅度和下降速度越大,工作面来压越强烈,压架突水危险性越大。覆岩关键层的不同破断运动形态是导致水位变化与顶板来压存在上述联动效应的主要原因。当关键层逐层破断时,覆岩缓慢回转下沉,水位降幅和降速较小,不会发生压架突水灾害;而当关键层复合破断时,关键层结构易产生滑落失稳,短时间内大量采空体积传至基岩顶界面,水位出现大幅度快速下降,存在压架突水危险性。利用松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应,提出将水位下降速度作为预警指标对压架突水灾害进行预警的方法,并基于地下水动力学原理导出工作面压架突水时的水位降速临界预警值计算公式,指导祁东煤矿6130工作面压架突水灾害防治实践。