厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用

为提高厚煤层采空区定向钻孔的瓦斯抽采效率,针对山西某高瓦斯矿井采煤工作面,采用理论分析和FLUENT数值模拟相结合的方法研究采动裂隙分域演化特性,提出覆岩裂隙场分域准则,确定定向钻孔布置区域与核心抽采布置范围,并在采空区现场开展定向钻孔分域抽采瓦斯试验。结果表明：破断裂隙密集区内,岩层断裂穿层裂隙发育较明显、瓦斯聚集显著,且钻孔稳定性高,是布置定向钻孔的最佳区域;并将与回风巷中心线水平距离3～13 m,与煤层顶板垂直距离10～18 m的区域设定为核心抽采区域。定向钻孔分域抽采试验中,单孔抽采瓦斯体积分数平均提升22.355%,单孔瓦斯抽采纯量平均提升1.295 m³/min,该结论验证了厚煤层采空区定向钻孔分域抽采方法的实用性与合理性。     

采空区自燃火灾气体钻孔导流的数值模拟研究

针对采空区局部自燃火源点的火灾情况 ,提出用地面钻孔抽放采空区自燃火灾气体 ,使其避免流向工作面的方法。基于渗流方程和气体扩散方程建立了简化的采空区火灾气体移动———弥散数值模型 ,用迎风有限元方法结合图形显示技术求解。模拟了在抽放前后采空区火灾气体移动和CO浓度分布特征 ,该方法对火源位置的判定精度要求不高 ,但钻孔必须设在火源的后方。通过模拟试验 ,抽放后工作面向采空区漏风增加量约为抽放流量的一半 ;抽放流量与采空区CO绝对涌出量近似呈负指数关系 ,给出了最低抽放流量的表达式。这项研究 ,能为分析在短期内消除采空区自燃火灾气体对工作面影响和确定抽放参数提供一种辅助手段。     

大倾角坚硬顶板综放面采空区漏风数值模拟

由于大倾角坚硬顶板煤层采空区地质条件复杂，漏风规律复杂多变，因而煤自燃危险性较大。利用SF6作为示踪气体对龙东煤矿7162工作面采空区和邻近采空区进行漏风检测，得到7162工作面采空区漏风的基本分布规律。采空区内的漏风出口主要是上隅角处后部的未压实巷道，最小漏风风速随深度的增加而减少，邻近采空区的漏风与煤柱完整程度及断层大小有关，最大漏风量占到正常总供风量的27%。根据漏风检测结果，利用Fluent软件对采空区漏风渗流场进行数值模拟，得到了采空区风压和风速分布规律，离工作面距离大于100 m的采空区内部几乎不存在漏风，保留煤柱的存在使风流更容易进入采空区内部。该研究成果为采空区煤炭自燃防治提供了科学指导。     

回采工作面高位钻孔抽采瓦斯效果数值模拟及方案优化

以提高瓦斯抽采效果为目标, 某矿Ⅲ4423工作面为研究对象,采用理论分析、 数值模拟、现场试验等研究方法,研究了顶板高位钻孔条件下瓦斯抽采的主要技术参数 ,数值模拟出高位钻孔抽采瓦斯前采空区的瓦斯分布情况与运移规律,以及负压分别为 8、10 kPa时的高位钻孔瓦斯抽采效果。依据瓦斯流动“O”型圈理论与FLUENT数值模拟 分析,优化设计高位钻孔抽采瓦斯工艺参数并进行现场试验。结果表明:当高位钻孔抽 采负压为8 kPa、终孔位置调整到采空区裂隙带回风巷侧15~35 m范围内时,高位钻孔抽 采瓦斯效果最佳,采空区内瓦斯最高浓度明显降低,单个钻场最大抽采瓦斯量为19 821.74 m3,钻孔瓦斯浓度稳定在 20%~30％之间,最大值达到50％,实现了工作面有效 治理瓦斯和安全生产的目标。     

高位钻孔与采空区埋管瓦斯抽放技术对比研究

为了采取合理的瓦斯抽采技术,实现矿井安全高效开采,对朱集煤矿13—1煤层实行高位钻孔以及上隅角采空区埋管作为抽采瓦斯实验方案。通过对现场工程实践以及实测数据进行对比分析,得出了实验结果。结果表明：应用高位钻孔瓦斯抽采技术的抽采效果十分明显,且工程施工费用较低,易于生产管理,该抽采技术适用于朱集煤矿采空区瓦斯抽放。     

采空区顶板-矿柱体系蠕变损伤力学模型研究

为分析采空区顶板-矿柱体系的稳定性,并预测采空区的稳定时间,采用薄板理论、流变力学和损伤力学理论,建立了采空区顶板-矿柱体系蠕变损伤力学模型.在此模型基础上推导采空区顶板挠度的微分方程,根据采空区顶板在不同阶段的边界条件采用伽辽金方法对该微分方程进行了求解,并在排山楼金矿老采空区进行了工程应用,将预测结果与现场监测结果进行了对比分析,验证了模型的可靠性.研究表明:建立的力学模型能够较准确地运用于采空区稳定时间预测;矿柱的流变变形随时间延长逐渐增大,如不采取加固措施,排山楼金矿老采空区将出现顶板-矿柱体系的坍塌.     

综放采空区遗煤厚度的分布规律及模拟研究

鉴于采空区遗煤厚度对其自燃规律影响的重要性,对综放采空区遗煤厚度的分布规律进行了研究.应用松散介质理论、放煤椭球体理论及三维数值模拟方法对综放采空区遗煤的空间分布形态、采空区顶板压力及空隙率分布进行分析,得到采空区遗煤厚度的计算公式及三维分布示意图,采空区顶板压力与遗煤空隙率、遗煤厚度的函数关系及在算例条件下三者的三维分布状态.结果表明:综放采空区遗煤的空间形态受工作面的放煤步距、放煤口间距及顶煤破裂角、采空区顶板压力、遗煤空隙率等因素的影响,采空区遗煤厚度分布的确定应是非连续、非均匀的.     

采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟

采空区"竖三带"的确定,是合理设计高抽巷布置层位和确定高位钻孔终孔位置的前提。依据王庄矿提供的地质资料,结合实验室测得的煤层顶底板岩石力学参数,采用岩石质量评分法,计算得到各岩层合理的节理间距及岩体力学参数,并将其应用于CDEM软件中,对王庄矿8101工作面采动岩层进行数值模拟,分析了煤层开采过程中上覆岩层破断与冒落规律,并得出采空区"竖三带"的分布范围:采空区冒落带范围为0~25 m,裂隙带范围为25~65 m。将数值模拟结果与经验公式的计算结果、现场高位钻孔考察结果进行比较,结果表明:3种方法得到的冒落带范围基本一致,为0~25 m;经验公式计算得到的裂隙带高度较另外两种方法得到的结果小;数值模拟得到的"竖三带"高度更符合实际情况。同时也验证了CDEM软件在采空区上覆岩层运动的适用性。     

石膏矿采空区顶板冒落冲击气浪传播规律及安全防范研究

为探索石膏矿采空区顶板冒落灾害形成及演化过程中的微观动力学行为,以某危害型石膏矿为研究背景,选择"打气筒"模型进行了空场法采空区顶板冒落相似物理模拟试验,并利用高速摄像及纹影技术,直观地记录分析冲击气浪产生时流场在直线型、转弯型、独头式模型巷道处的传播规律及变化特性.结果表明,在直线型巷道内传播时,冲击气浪并非按直线传递,而是气浪前端阵面会发生回转,与气浪尾部和后续的气浪叠加、交混,一起向前传递.在转弯型巷道中,冲击气浪传播至巷道转弯处时,气浪会马上在此改变传播方向,开始沿着转弯方向,向巷道出口传播.当气浪完全通过此处后,由于巷道围岩和空气的阻力,冲击气浪前端部分气流又会回流至此,进行二次破坏.在独头式巷道中传播时,由于巷道一端封合密闭,气体无法涌出,气浪无法在独头巷道中顺利向前传递,而是与巷道中的气浪相互叠加、碰撞,持续地、无规则地流动.     

采空区渗透率对瓦斯运移影响的模拟研究

根据计算流体力学基本理论,利用Fluent软件,对采空区渗透率为均匀分布、分段均匀分布、连续分布、"O"型连续分布4种不同分布情况下采空区瓦斯运移规律进行数值模拟。当渗透率均匀分布时采空区漏风较少,高浓度瓦斯分布靠近工作面;当渗透率分段均匀分布时,在采空区中有2条跳跃的瓦斯沟壑;当渗透率连续分布时,采空区漏风较多,高浓度瓦斯分布靠近采空区深部;当渗透率"O"型连续分布时,采空区漏风最多。结果表明,当渗透率不同分布情况下采空区漏风和瓦斯分布有很大差别。因此,为了得到更符合现场实际情况的瓦斯运移规律,在模拟采空区瓦斯运移规律时需要描述更能如实反映采空区煤岩冒落规律的渗透率分布。     

凯达煤矿采空区煤自燃极限参数分析

为更加精准地判定采空区自燃危险区域,对煤自燃极限参数的计算方法进行改进,采用能量守恒微分方程的分析解计算煤自燃所需必要条件的极限值;以内蒙古凯达煤矿为例对该方法进行验证,根据浮煤的物性参数以及采空区环境条件,计算分析46205工作面回风侧采空区煤的自燃危险性;根据采空区漏风条件以及煤自燃所需要的氧浓度值,分析在遗煤较厚...     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

倾斜特厚煤层采空区孔隙率分布规律研究*

为了研究倾斜特厚煤层综放开采采空区孔隙率分布规律,确定采空区高位钻孔位置,有效治理采空区瓦斯灾害,以硫磺沟煤矿9-15（06）工作面为例,采用UDEC数值模拟软件研究采空区覆岩垮落和裂隙演化规律,根据采空区覆岩下沉量,计算得到采空区孔隙率三维分布规律。研究结果表明:倾斜特厚煤层采空区覆岩位移云图在垂直方向呈3段分布,以距离工作面底板23 m和80 m为分界线,位移矢量密度显著降低,冒落带高度为23 m,与经验公式25 m基本一致,大于薄、中厚和厚煤层;受倾角影响,垮落矸石滑移、充填采空区下端,覆岩下沉量呈非对称椭圆形,中上部下沉量最大;冒落带孔隙率在上、下隅角处最大,中上部最小,随着覆岩高度增加,采空区边缘处和深部孔隙率差值逐渐减小。研究结果为倾斜特厚煤层采空区瓦斯抽采高位钻孔的布置提供了理论基础。     

基于偏序集的采空区煤自燃可能性评价模型

为了解决采空区煤自燃可能性评价方法中的赋权争议问题,基于偏序集理论,提出了偏序集评价模型。阐明评价指标并确定其等级划分准则,运用偏序集评价模型得到Hasse图,通过Hasse图展现的层集信息判别采空区煤自燃的危险程度。利用该模型对某煤矿17个煤样的自燃情况进行了判别,评价结果准确合理。研究结果表明:该模型避免了以往研究中的赋权争议问题,克服了样本量不足致使模型无法应用的问题,其评价结果置信度高。     

高突矿井大采高工作面瓦斯抽采技术及实践

为解决大采高厚煤层工作面回采期间瓦斯超限难题,应用顶板走向长钻孔中位钻孔和下临近层底板定向长钻孔等瓦斯抽采措施,对回采面瓦斯进行了多源头治理。通过对顶板走向长钻孔的抽采效果考察,确定其垂直层位为40±5 m范围、水平层位为50±10 m范围为最佳瓦斯抽采区域;中位钻孔合理的垂直层位为20 m左右,水平层位为45~50 m范围抽采效果最佳;下临近层底板定向长钻孔是拦截下部5#煤和7#煤向上部采掘空间涌出瓦斯的有效手段,其最佳的水平层位为距巷道轮廓线20 m范围,垂直层位为钻孔布置在下临近层煤层中。通过对3种不同瓦斯治理措施的综合评价考察,确定顶板走向长钻孔是治理回采面最为有效的措施,其抽采量占工作面回采期间总抽采量的79.6%,中位钻孔抽采和下临近层底板定向长钻孔抽采是回采面回采期间的辅助性措施。措施使用后,工作面上隅角瓦斯浓度保持在0.4%~0.6%之间,有效保证了工作面的安全高效回采。     

炮采放顶煤采空区自然发火的数值模拟应用

针对炮采放顶煤开采采空区容易发生自燃问题，基于漏风渗流方程、气体渗流一扩散-氧消耗方程，建立了采空区自然发火非稳定数值模型，采空区按非均质考虑，耗氧汇按煤矸氧化和瓦斯涌出稀释两方面综合考虑，用有限元数值方法联立求解模型。结合羊草沟矿实例，通过该矿自然发火后来的测试区的现场实测结果，拟合反演得到采空区煤的耗氧速度、瓦斯涌出强度和渗透特征参数，用确定的模型分析了前段出现自然发火的原因；描绘了炮采放顶煤开采时采空区冷却带、自燃带和窒息带等三带的形状，指出冒落压实的不均衡的非均质采空区，自燃点在偏人风一侧。用三带划分理论讨论了工作面参数（风量、推进度、控顶距）同自燃的量化关系，提出了从根本上预防采空区自然发火的途径与方法。     

复合惰气在采空区遗煤中竞争吸附的分子动力学模拟研究*

为明确作用于采空区的复合惰气的竞争吸附,进行不同温度、压力及组分下烟煤对N2、O2、CO2多元气体竞争吸附分子的模拟研究。研究结果表明:当注入压力达到3 MPa后,竞争吸附效果不再明显,为高压注入提供一定的理论基础;随着CO2分压的增大,O2吸附量降低速度逐渐平缓,初步确定最佳注入配比范围为2∶1至3∶1,为进一步结合实际工程中成本等因素确定最佳注入配比提供参考;等量吸附热受吸附条件的影响较小,仅与吸附质本身有关;随着CO2分压的增大,范德华能升高56.9%,分子内能升高78.7%,静电能升高67.2%,CO2对整个系统内的吸附作用强度及吸附量有着较大的影响;随着CO2分压增大,N2竞争吸附能力逐渐弱于O2,竞争吸附能力大小顺序为CO2>O2>N2。     

基于IIAHP-Entropy-ssd的采空区遗煤自燃危险性评价模型及应用

为了能够对煤矿采空区遗煤自燃危险性进行准确判定,提出基于IIAHP-Entropy-ssd最优综合赋权模糊评价模型。首先,结合影响采空区遗煤的自燃性及环境影响因素,建立危险性评价指标体系,并确定各评价指标的分级准则;其次,利用区间数代替数值评价打分,并运用可能度互补矩阵进行修正的改进区间数层次分析法（IIAHP）,结合熵权法（Entropy）,根据现场实测数据,得出各评价指标的主、客观权重,并运用离差平方和（ssd）的最大化思想进行最优综合赋权,克服评价过程中主、客观因素对评价结果的影响,运用属性数学理论,建立各评价指标的隶属函数;最后,运用该模型对忻州窑矿8914综放工作面采空区遗煤自燃危险性进行评价,并与现场实际情况进行对比,结果表明:该模型的评价结果与实际情况基本一致,验证了该评价模型的准确性,为采空区遗煤自燃危险性评价提供参考和借鉴思路。