低透煤层保护层开采卸压效果试验

目前保护层开采卸压效果考察多以现场打钻测试被保护层瓦斯参数变化为主,为了更加系统、方便地掌握保护层开采过程中上覆被保护层裂隙发育、应力状态、膨胀变形及渗透特性变化情况,可综合运用试验手段对保护层开采卸压效果进行多指标评判。因此,基于常规相似材料模拟平台,应用渗流力学理论,开发出被保护层渗透特性测试系统,并以长平煤矿保护层开采为工程对象进行研究。结果表明:长平矿主采3#煤层作为被保护煤层,处于下保护层8#煤层开采所产生的裂隙带顶部,具备卸压增透的初始条件;伴随着8#煤层工作面的开采,上覆岩层次生裂隙经历了起裂、发育、张开、闭合等过程,3#煤层均经过增压区、卸压膨胀区、恢复区的转变,其膨胀变形量曲线大体呈"M"型分布,最大膨胀变形率约为0.774%,平均膨胀变形率约0.60%,大于0.30%;3#煤层渗透率同样经历动态发展过程,其原始渗透率为0.034×10~(-14)m~2,卸压区内最大渗透率1.125×10~(-14)m~2,为原始状态的33倍,增压区内渗透率有所下降,但仍远大于原始渗透率。因此,长平矿保护层开采使被保护煤层具备良好的卸压增透效果,进而为3#煤层卸压瓦斯渗流-运移规律及卸压瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。     

间距对上保护层开采保护效果影响的相似模拟实验研究

为研究上保护层开采保护效果随层间距的变化规律,以南桐矿区作为实验背景,保持保护层倾向工作面开挖长度、煤层埋深、倾角、岩层物理力学性质相同,将层间多层岩层处理为复合岩层,分别进行近距离、远距离和超远距离上保护层开采相似模拟实验。综合分析被保护层卸压规律及基于被保护层垂直于层面的膨胀变形保护准则所得保护范围可知:上保护层开采被保护层卸压曲线呈“凸形”,且“凸形”中心线偏向下山方向。随层间距增加,“凸形”底部被保护层小于原岩应力的卸压范围与“凸形”顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势;两者中心位置均向下山方向转移,且后者转移度大于前者;被保护层卸压曲线中卸压范围的卸压程度及应力集中范围的应力集中程度均呈减弱趋势;以垂直层面的膨胀变形量3‰确定的上下边界膨胀变形保护角均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中相应条件的卸压角,因此以该方法确定的保护范围相对《防治煤与瓦斯突出规定》偏于安全,且随层间距增加保护范围长度呈加速减小趋势。     

上行卸压开采顶板裂隙带巷道失稳过程物理模拟

为解决上行卸压开采顶板裂隙带巷道大变形问题,采用物理模拟方法,研究上覆岩层活动特征及裂隙发育破坏过程,分析锚杆支护条件下巷道围岩应力变化过程及变形破坏特征。结果表明:顶板裂隙带巷道随着上覆岩层有整体下沉特征;上行开采采动影响阶段,在采动应力与巷道掘进围岩应力叠加形成的应力场和采动裂隙场共同作用下,顶板裂隙带巷道围岩强度大幅降低,巷道断面收敛变形强烈,采动影响稳定阶段围岩应力低,用锚架联合支护或注浆加固围岩技术手段能维护巷道断面,保证其安全使用。     

煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟

为确定煤层群下保护层开采上部被保护煤层的保护范围,结合金佳矿一采煤工作面保护层顶底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,采用FLAC3D软件模拟下保护层开采中被保护层的应力场及变形场的变化过程,得出保护层的保护效果;并根据保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则,确定保护层沿倾向和走向的保护范围。结果表明,由于岩性及岩层结构的影响,通过数值模拟确定的各被保护层的保护范围与按照卸压角确定的保护范围有一定差异;分别用现场考察与数值模拟这2种方法所确定的下保护层保护范围基本一致。     

深部低渗透强突出煤层群首采下保护层确定和效果考察

软岩保护层在深部低渗透强突出煤层群首采保护层选择中具有潜在的应用前景。在阐述下保护层开采覆岩移动与采场裂隙演化及瓦斯运移关系的基础上,以芦岭矿为工程背景,通过FLAC3D数值试验,研究软岩保护层开采后的卸压效果,并和不同层位的薄煤层开采卸压效果对比分析。结果表明,在采厚相同的情况下,开采10煤保护层相对于软岩保护层,卸压程度弱,保护范围小,保护效果差。软岩保护层开采后,被保护层处于弯曲下沉带的下限范围。受采动影响,有大量的离层裂隙生成。考察期范围内上覆被保护层(8、9煤层)瓦斯抽采率达62.9%,表明软岩保护层开采能够对上覆被保护层(8、9煤层)起到显著的卸压效果。研究结果可为其他矿区保护层开采选择提供参考,丰富国内保护层开采实践。     

下保护层开采覆岩卸压及瓦斯运移规律

为了研究中远距离下保护层开采覆岩卸压及瓦斯运移规律,以寺河矿和海天煤业为试验矿井,采用FLAC3D对开采覆岩卸压特征进行分析,采用COMSOL对开采被保护层瓦斯运移规律进行研究,并进行了现场实测验证。研究结果表明,保护层开采后,覆岩应力呈分区式分布,随着距煤层距离的增加,应力集中系数和卸压程度逐渐减少;保护层开采后,3#煤层应力降到最小值3.4 MPa,降幅达到57.8%;以膨胀变形量0.3%作为临界指标,被保护层的走向和倾向卸压角分别是59°,62°;保护层开采后,瓦斯质量浓度由7.82~9.75m~3/t降到4.12~4.36 m~3/t,瓦斯压力由0.37~0.46 MPa降到0.22~0.26 MPa,透气性系数增加了500多倍,被保护层产生的次生裂隙对于瓦斯解析具有促进作用,大大提高了煤体透气性。     

近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式探究*

为研究近距离薄煤层群上保护层开采期间邻近层卸压瓦斯对回采工作面瓦斯涌出的影响,进而有效杜绝保护层开采过程中工作面瓦斯积聚或超限等事故,结合煤岩体破碎前“应力-裂隙-渗透率”间关系,建立卸压瓦斯三维渗流模型。采用Flac3D软件,以新维煤矿煤层条件为工程背景,研究保护层开采过程采场渗透率沿纵向分布规律,确立下保护层C3煤层处于三维增渗区、C7与C8号煤层处于水平增渗区。基于此,提出“近场定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的瓦斯治理技术模式,并开展现场试验,结果表明:试验工作面回风瓦斯浓度降低44.4%,绝对瓦斯涌出量降低52.3%,该模式可显著提高卸压瓦斯的治理效果,为类似工况下的保护层开采提出1种新的瓦斯抽采模式,具有一定的指导及借鉴意义。     

远距离保护层开采煤层渗透特性及瓦斯抽采技术研究

依据平顶山矿区某矿的丁、戊组煤层(间距90m)的地质条件,采用实验室试验、数值模拟和现场试验相结合的方式,对远距离下保护层开采煤层渗透特征及瓦斯抽采技术展开探讨。运用自制的煤-气耦合系统进行了大尺寸煤样的加载试验,试验将煤样加载及裂隙发展分原生微孔隙压密阶段、煤样的弹性变形阶段、膨胀破坏阶段和峰后的破坏阶段四阶段,卸载后煤样孔隙不闭合,渗透系数仍能保持高位运行;并对现场丁组煤的卸压区域进行参数测试,卸压效果明显,煤层透气性系数增加720~1550倍,卸压范围内的煤层煤与瓦斯突出危险性消除;根据对被保护层裂隙场形成分析,提出了煤与瓦斯共采中卸压瓦斯抽采钻孔抽采最佳时机,实现了戊组煤开采与丁组煤瓦斯抽采在时间、空间上的有序配合。     

高应力煤巷卸压孔布置方式对卸压效果影响分析

高应力是造成深部煤巷大变形的主要因素。钻孔卸压已成为高应力区围岩稳定性控制的主要方法之一。基于钻孔卸压原理,以实际工程为背景,设计了三种卸压孔布置方式,并采用数值模拟的方法对不同卸压孔布置方式的卸压效果进行计算和对比分析。结果表明:卸压孔布置方式对卸压效果影响显著,卸压孔五花布置时,卸压效果最为明显;卸压孔周围形成卸压圈,卸压圈相互叠加,卸压范围增大;巷帮布置卸压孔使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道的围岩深部移动,五花布置卸压孔时,不仅能够使应力峰值向深部转移,而且降低了应力峰值,有效改善围岩应力环境;卸压孔产生的卸压区,为巷道围岩提供给了一定的变形补偿空间,减小了巷道变形,卸压孔五花布置时,巷道变形最小,与无卸压孔时相比,巷道实体煤帮整体变形量减小了73.9%,顶板最大沉降量减小了40%,控制变形效果明显。     

煤层群首采关键层卸压瓦斯综合治理技术

首采煤层群关键层是消除邻近煤层突出危险性行之有效的方法.以淮南新庄孜煤矿66210工作面为例,在综合分析采空区上覆岩层竖向3带以及瓦斯运移基本条件的基础上,将上被保护层所产生的卸压瓦斯运移路径简化为:被保护层→上覆岩层竖向裂隙→采空区→回风巷.为了保障首采保护层工作面的安全回采,提出并实施了卸压瓦斯综合治理技术,对被保护层卸压瓦斯、首采层顶板裂隙发育区富集瓦斯、采空区瓦斯进行强化拦截抽采.采用沿空留巷Y型通风方式消除上隅角瓦斯积聚,降低风排瓦斯量,工作面回风瓦斯体积分数在0.6%以下,实现了高瓦斯煤层群首采工作面的安全高效生产.     

远距离薄煤上保护层开采方案保护有效性论证

为验证薄煤上保护层开采的卸压保护效果,采用相似材料模拟试验,对薄煤保护层开采设计方案进行实验室还原,得到保护层工作面推进过程中支承压力、被保护煤层及保护层底板的应力分布特征。给出被保护层相对保护层开切眼不同位置煤体的受载力学路径、卸压范围,并依据应力保护准则对保护有效性进行判定。依据岩石强度指数及广义胡克定律,计算得到底板导气裂隙带及卸压解吸带的分布范围。以红阳三矿保护层开采方案为例对保护有效性进行前期论证。研究结果表明,采用该保护层开采方案,未起到有效保护作用。     

远距离被保护层被保护区域预抽瓦斯效果研究

为了研究远距离被保护层被保护区域预抽瓦斯效果,为其他区域同一保护层和被保护层开采提供依据和借鉴。基于保护层开采、煤与瓦斯突出防治等理论,首先对保护层开采防止煤与瓦斯突出机理进行研究,接下来计算了保护层开采保护范围,继而从瓦斯抽采量、抽采率和煤层顶底板相对变形量等方面对采用的地面钻孔和底板巷向上穿层钻孔等瓦斯抽采技术预抽被保护区域瓦斯效果进行了研究。结果表明:开采保护层有效减少或消除被保护层煤与瓦斯突出危险性,煤层瓦斯预抽率远大于30%,被保护层的最大膨胀变形远大于3‰。     

近距离煤层群开采上保护层被保护层卸压瓦斯治理实践

为保障突出矿井近距离煤层群安全开采,本文基于上保护层开采时下邻近煤层卸压瓦斯治理的重要性,探讨采场动压影响下围岩变化与卸压瓦斯解吸运移的时空关系,研究瓦斯涌出形态和控制措施.结果表明:煤层组开采上保护层时,伴随工作面推进,底板煤岩系表现出时空滞后的蠕变特性;邻近层卸压瓦斯涌出按其对应工作面位置的活跃程度呈现出"四带"特征;被保护层卸压涌出占总瓦斯涌出量的70％以上,直接对被保护层进行目标抽采瓦斯是实现卸压瓦斯抽采最大化的最佳途径;在使用底板瓦斯道施工穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯时,根据巷道顶板瓦斯层流情况,确定全负压通风并保持风速1.1m/s以上是保障安全作业环境优化条件.     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。     

基于波速变化量评判受载煤体力学特性的安全分析

研究超声波波速与受载煤体力学特性的关系对煤炭安全开采有重要意义。为明确受载煤体孔裂隙发育的力学变化规律与波速变化量的关系,以焦作古汉山矿山西组二1煤层原煤为研究对象,借助煤储层压裂模拟及物性特征试验系统,依据超声波技术对三轴加载煤体进行测试,计算波速变化量,然后用波速变化量分析受载煤体力学特性与煤体结构中孔、裂隙的联系,为煤炭安全开采提供力学依据。结果表明:1)在受载条件下,煤体会重复出现初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段,且在弹性阶段煤体压密程度最好,波速变化最快; 2)煤体受力产生孔、裂隙对声波影响显著,弹性阶段煤体压密程度高,孔、裂隙发育程度小,波速变化量达到最大,到屈服阶段,煤体孔、裂隙发育程度高,波速变化量降低,变化明显; 3)通过分析波速变化率得出受载煤体的变化程度,波速变化率大,表明煤体变化程度不明显,煤体孔、裂隙发育程度不高,反之亦然。     

被保护层双重卸压特性研究

为探索复合煤层群保护层开采时在双重卸压条件下被保护层的不同卸压特性,采用物理相似模拟试验和计算机数值模拟来研究其双重卸压规律。对比分析被保护层的膨胀率和卸压率后发现:在双重卸压条件下,被保护层的膨胀变形呈现"M"形态,膨胀率在不同时空下表现出叠加特性;另外,煤岩体的弹性势能因受首采保护层的影响而释放,被保护层卸压率表现出卸压区域边缘不连续而卸压程度和范围均增加的特点。最后,现场测试计算得到被保护层的透气性系数,其变化规律证实双重卸压效果明显。     

近距离煤层上行开采巷道优化布置及煤层卸压效果试验分析

为解决近距离煤层上行开采上煤层出现台阶状下沉问题，以西曲煤矿南三盘区近距离煤层群为研究背景，结合其煤层地质条件，采用理论计算对南三盘区近距离煤层群上行开采进行可行性判定，并建立数值和相似模拟模型，模拟留煤柱和错层位巷道布置开采，对上行开采煤层垮落形式和卸压效果进行试验分析。试验结果表明:煤层上行开采过程会导致上层煤位于垮落带内；采用留煤柱巷道布置上煤层出现台阶状下沉现象，错层位巷道布置上煤层连续下沉不会出现台阶状下沉；错层位巷道布置上行开采，上煤层卸压效果良好，无应力集中现象。研究结论可为类似条件上行开采和岩层控制提供参考。     

保护层开采效果测评指标及应用研究

为深入分析保护层开采的实施效果,依据煤岩卸压变形理论和瓦斯运移特性,建立保护层开采测评指标体系,并选择淮南矿区对指标现场应用方法进行分析。研究结果表明:测评体系包括保护范围和保护效果两部分,其中,瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、煤层顶底板相对变形、瓦斯抽放量、突出指标的变化等因素可作为效果考察的现场测评指标。保护层开采后,应首先明确其保护范围,然后再对保护效果分别从煤体力学特性、煤层瓦斯特性和煤层开采动力特性3方面进行综合分析,按照现场实测值与指标临界值的对比,即可系统地定量评价保护层开采的效果。     

保护层开采防突效果区域时空特征分析

为获得保护层开采区域防突效果的时空演化特征,确定区域抽采补充措施相关参数,制定更优的被保护煤层采掘时空规划,建立伏岩应力(变形)力学模型开展数值模拟,并现场考察被保护煤层参数变化的时空分布情况。结果表明:覆(伏)岩层岩性及结构、煤层开采厚度、工作面长度等是影响保护效果时空分布特征的主要因素;被保护区域煤层的应力呈W型分布,变形呈M型分布;随工作面位置变化,瓦斯压力先增加后降低,膨胀率和透气性先降低后增加;煤岩变形量相对于工作面位置的推移存在一定的迟滞性,体现了煤岩变形的蠕变特征。     

忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲模拟与试验研究

采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲效果进行研究.数学推导了巷道底板岩层轴向力,分析了巷道底鼓原因.根据煤岩体静载破坏理论,确定了巷道卸压槽防冲技术方案.并运用FLAC3D数值软件模拟布置卸压槽巷道围岩应力、变形状态,从模拟结果可以看出,卸压槽具有很好的防冲作用.最后,选取部分5931巷道开展卸压槽防冲试验,布槽巷道围岩变形量明显减小,与模拟结果较为一致,同时,声发射现象显著减弱,证实卸压槽有好的防冲效果.