应力传递对垮落岩体空隙率空间分布的影响

垮落岩体空隙率空间分布特征将直接影响采空区瓦斯涌入工作面。本文基于离散单元法,通过自主编程模拟了垮落岩体的压实过程,研究了岩块间应力的传递和演化对垮落岩体空隙率分布的影响。结果表明:垮落岩体内应力主要通过强力链向下传递,压缩量较小时,强力链主要集中在垮落岩体上部,使上部岩块受力大于下部,随压缩量增大,强力链向垮落岩体下部延伸,使上部的高应力区不断向下扩展。由于垮落岩体下部岩块受外力扰动较小,导致垮落岩体下部空隙率高于其他层位,其中下部空隙率为上部的1.1～1.4倍。垮落岩体空隙与力链空隙均呈现双峰分布,随压缩量增大,力链出现断裂,力链空隙进行重组,使岩块出现滑移,导致垮落岩体内部分大空隙分裂为小空隙。     

煤矿采空区卸压空间分布特征研究

为研究采空区的采动卸压空间分布特征,采用FLAC~(3D)软件模拟计算煤层开挖后围岩的三维应力分布,并基于计算结果划分出采空区的卸压空间分布特征。结果表明:离开采煤层中心距离增加,竖直方向应力先急剧增大,随后增加速度缓慢直至趋近原岩应力;离采空区边界距离增加,煤柱上的三向应力先急剧增加,再急剧降低并逐渐趋于原岩应力;采空区卸压空间分布整体呈现近似"螃蟹形",且开采煤层上部的采空区卸压空间明显大于下部。     

三维采空区煤层气渗流空间分布特征及应用

为研究采空区煤层气空间分布及渗流规律,研制了三维采空区煤层气渗流模拟试验系统。向系统的主体装置内铺设相似材料,利用加载系统向相似材料上部均匀加载,利用底板升降系统模拟煤层开挖,采用供气系统由下向形成的采空区内注入甲烷,通过布置在相似材料内的取气系统采集并检测三维采空区内的甲烷浓度。试验结果表明:采空区自下而上分为源流区、抑流区、汇流区和无流区。源流区内煤层气浓度最高,抑流区抑制采空区煤层气渗流且其浓度急剧下降,汇流区内煤层气浓度逐渐上升,但整体低于源流区内煤层气浓度,无流区内无煤层气存在。通过在山西省废弃矿井晋圣矿开展老采空区地面煤层气抽采试验,结果表明地面钻井底部位于源流区时抽采效果较理想。     

寺河煤矿采动区地面钻井破坏特征研究

为了提高寺河煤矿采动区地面钻井的稳定性,研究采煤过程中地面钻井的失效特征具有重要意义。研究通过相似试验模拟煤层开挖过程,以分析地面钻井的高危破坏期、高危破坏位置及相应的钻井失效模式。结果表明,当采煤工作面推过寺河煤矿的采动区地面钻井150 m后,地面钻井处于高危破坏期;在破坏期内,钻井高危失效位置易出现在上覆岩层中的硬-软岩层交界处以及厚-薄-厚组合岩层中;其中,钻井在硬-软岩层交界处遭受剪切错断而失效,在厚-薄-厚组合岩层内遭受挤压堵塞而失效。     

倾斜煤层采空区卸压煤层气贮存空间分布

运用FLAC3D软件研究倾斜煤层开挖后的三维应力分布,并划分出不同倾角采空区卸压煤层气的贮存空间。结果表明:不同倾角采空区沿竖直方向和倾斜方向的三向应力随距离采空区基准线远近的变化规律;不同倾角采空区的煤层气贮存空间呈近似"六边形"分布,且随煤层倾角的增大而顺时针旋转。     

低浓度煤层气分布式提纯系统的研制与应用

为实现野外分布式地面抽采条件下的低浓度煤层气(CH_4≤30%)的安全增压集输,研制了由低浓度煤层气安全隔离系统、变压吸附系统和增压集输系统3部分组成的低浓度煤层气分布式提纯系统,该系统集安全隔离、低浓度煤层气提纯和增压集输3个功能于一体,具有小型、撬装、安全、节能、环保等特点。晋城矿区典型地面钻井的工业性试验表明:采用该提纯系统前,地面钻井的CH_4抽采浓度为20%~35%,且只能在CH_4抽采浓度高于30%时才能开启增压机利用;安装该系统后,CH_4抽采浓度提高至65%左右,可实现连续增压利用,煤层气利用率由5.1%提升至80%以上,实现了低浓度煤层气的再利用,并减少了温室气体排放。