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。     

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.     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题，提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度，增加煤体透气性，从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法，分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理，确定爆破影响半径为4.5~5.3 m，并在A110605工作面进行现场应用，同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后，平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍，平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍，煤层透气性系数提高了近5.3倍，煤层卸压增透效果显著，很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性，为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

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。     

低透气性薄煤层煤与瓦斯共采技术研究

煤与瓦斯共采技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分之一.针对矿井煤层薄、煤层透气性低、煤层瓦斯含量低等特点,应用岩层移动理论和采空区瓦斯流动规律,研究了采场内卸压瓦斯的运移路径和富集区域,建立了矿井煤与瓦斯共采系统,采用了高位顶板穿层钻孔瓦斯抽采方法和老采空区瓦斯抽采方法等综合瓦斯抽采方法,降低了矿井瓦斯涌出量,消除了工作面瓦斯积聚现象,提高了矿井瓦斯抽采率和抽采浓度.在保障煤炭资源安全开采的前提下实现了瓦斯资源的安全、高效抽采.     

本煤层瓦斯抽采渗流模型及数值模拟

在研究煤层瓦斯抽采时,假定煤岩为具有孔隙裂隙的双重介质,在运动方程、连续性方程和辅助方程基础上,以煤岩体应变为耦合媒介建立了考虑裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩变形的渗流模型.借助多物理场分析软件COMSOL Multiphysics,将模型转化为偏微分方程组,结合沙曲矿24305工作面瓦斯赋存条件进行分析求解.结果表明,进行煤层瓦斯预抽时,抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采孔间距对抽采效果影响比较显著,距离抽采孔越远瓦斯压力下降越慢,抽采时瓦斯渗流速度变化可分3个阶段.参考模拟结果现场布置孔距为6m的顺层钻孔,抽采稳定时瓦斯纯量达5～7 m3/min,抽采效果比较理想.     

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‰。     

131105综采面地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯技术研究

为了合理布置地面抽采瓦斯钻孔,基于矿山压力与顶板控制理、保护层开采理论等,研究了地面钻孔平面布置和结构,地面钻孔抽采瓦斯量和抽采瓦斯浓度随工作面距钻孔距离的变化规律,同时利用双示踪技术对地面钻孔抽采范围进行了测试,综合考察了地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯的有效范围。结果表明：地面钻孔抽采瓦斯有效范围不小于200m。     

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。     

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

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。     

钻孔抽采瓦斯量影响因素分析与工程实践

为了提高钻孔抽采瓦斯量,基于煤层瓦斯流动和层次分析法等理论,研究了钻孔抽采瓦斯量的影响因素及各影响因素重要度,同时现场考察了透气性系数变化对钻孔瓦斯抽采量的影响。结果表明:钻孔抽采瓦斯量影响因素有煤层透气性系数、煤层原始瓦斯压力、煤层厚度、抽采钻孔孔径和抽采时间等,其中煤层透气性系数是对其起决定影响作用的参数;重要度上煤层透气性系数对钻孔瓦斯抽采量的影响是抽采负压和钻孔半径的7.1倍;被保护层的透气性系数增大可大幅度提高了钻孔抽采瓦斯量。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

低透气性突出煤层群首采层掏心无煤柱开采卸压消突与瓦斯治理试验研究

针对深井高瓦斯低透气性突出煤层群消突和首采层开采卸压瓦斯治理难题,以谢桥煤矿11426工作面开采为例,设计首采中间层无煤柱开采、实现上下突出煤层均消突的技术方案,研究了Y型通风工作面采空区瓦斯及风压分布规律,结合煤层群开采巷道布置条件,提出并实施留巷侧井下暗立眼回风阶段留巷Y型通风技术,强化留巷墙体封闭和留巷采空侧回风立眼封闭等卸压瓦斯抽采技术,实现了深井煤层群首采层工作面的安全高效回采和邻近突出煤层的全面消突。11426工作面回采期间,绝对瓦斯涌出量最大47.67 m3/min,工作面瓦斯抽采率高达65%以上,研究成果为今后类似深井煤层群开采的卸压瓦斯抽采和治理提供技术指导。     

顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践*

对塑性松软煤体进行水力挠动较难取得理想的瓦斯增浓提效效果,为克服该措施的局限性,使松软煤层有效卸压增透,可将挠动对象转移至煤层顶板砂岩。基于对顶板砂岩水力挠动裂隙发育、延展及煤层卸压增透机理分析,在试验矿井的松软煤层及顶板砂岩中分别施工钻孔进行水力挠动试验,同时采用多级指标对措施后的瓦斯抽采效果进行考察。结果表明:水力挠动作用下砂岩体内部形成有利于下部煤层瓦斯流动的裂隙网络,抽采流量、浓度及累计抽采纯量大幅提高;但由于高压水作用下松软煤体内部发生塑性变形、裂隙堵塞、瓦斯流动性弱化,导致抽采流量、浓度及累计抽采纯量不升反降。研究结果可为松软煤层实施水力挠动提供参考,以期实现较理想的瓦斯治理效果。     

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.     

煤与瓦斯共采在错层位巷道布置中的机理研究及应用构想

为了完善现有煤与瓦斯共采技术，创新煤与瓦斯共采方法，对错层位巷道布置下的煤与瓦斯共采系统展开研究，利用相似模拟试验，分析错层位巷道布置覆岩运动情况，预测其开采围岩裂隙发育和瓦斯运移形式，提出了创新煤与瓦斯共采技术构想。研究结果表明:采空区覆岩三带高度随接续工作面的增加而增大，相邻采空区垮落矸石压实区呈现“O-L-O”形变化，多个相邻采空区覆岩出现大“O”形圈裂隙带；相邻采空区内瓦斯可实现相互运移，大“O”形圈裂隙带内赋存大量瓦斯气体；研究提出了地面钻井抽采瓦斯、走向高位瓦斯抽采巷和外错尾巷穿层钻孔3种煤与瓦斯共采技术，比传统巷道布置情况下的煤与瓦斯共采技术在安全、经济等方面更具优势。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

基于覆岩破坏传递的超前自卸压区影响宽度研究*

为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超前支承压力重分布,简化工作面开采模型,推导计算卸压区宽度的理论新方法并进行现场试验验证。结果表明:通过实测采面前方顺层钻孔的瓦斯抽采纯量,确定超前自卸压区宽度为28~30 m;距工作面＞20~40 m范围为卸压瓦斯高效抽采区,平均瓦斯抽采纯量0.074 m³/min,为卸压前的3.89倍;考虑覆岩破坏传递的超前自卸压区宽度计算值为29.97 m。计算值与实测结果较吻合,验证该方法的可行性,为井下卸压区高效抽采提供借鉴。