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。     

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。     

极近距离煤层联合开采工作面合理错距研究

基于山西灵石某矿极近距离煤层联合开采过程中存在的安全和技术问题,采用FLAC3D数值模拟研究方法,分析了上、下煤层联合开采工作面不同错距下上工作面覆岩应力传递规律,并结合现场工程实践,得出上下工作面联合开采的合理错距。结果表明:上下工作面错距为20 m时上工作面煤壁前方垂直应力较大,应力集中系数为2.12;将上下工作面布置在26~35 m范围是保证安全开采条件下比较合理的错距,通过分析现场上工作面单体支柱压力数据,压力值普遍低于35 MPa,进一步论证了该错距范围的合理性。     

辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。     

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。     

带压开采陷落柱突水影响因素数值模拟

为研究承压水压与煤层陷落柱位置这两种因素对陷落柱突水的影响,在分析固流耦合数学模型的基础上,利用数值模拟软件FLAC3D,以双柳矿地质条件为背景,分别对3 MPa和5 MPa承压水压下开采上、下两组煤4种情况进行模拟,分析陷落柱及其周边围岩的渗流-塑性破坏耦合场、应力场和位移场的变化.结果表明:随着工作面推进至接近陷落柱,工作面前方集中应力场与柱体周边应力场发生耦合,并出现应力集中,当水压为5 MPa开采上组煤时应力集中系数最大,最容易形成突水危险区域;当上组煤工作面距离陷落柱为30 m时,陷落柱渗流场与集中应力场开始连通,在开采下组煤时这一距离比上组煤扩大15 ～ 20 m;煤层底板随工作面推进发生压缩-膨胀周期变化,引起拉伸、剪切破坏.     

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。     

近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制与控制技术

为探讨近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制和开发相应的控制技术,采用理论计算、数值模拟和实验室试验综合方法,研究煤层群开采围岩采动应力场分布。阐明松散煤体注水加固的力学机制,并开发现场厚坚硬顶板深孔预裂爆破、深浅孔联合注水、新型采煤工艺综合技术措施。研究结果表明:在煤层群开采条件下,上下工作面相互影响程度剧烈,将下伏煤层工作面布置在上覆煤层开采后的卸压区内,可避免上煤层遗留煤柱高集中应力的影响,降低下伏煤层工作面原始应力水平。用设计的深孔预裂爆破工艺,能避免关键层断裂后对下伏煤层作面的动压冲击。提出的工作面低压短时间浅孔注水和2巷超前长孔预注水工艺,能提高松散煤体抗剪强度,增加煤体稳定性。     

超长工作面CO2相变致裂分区增透高效抽采技术试验研究

针对超长工作面抽采时间不均衡导致抽采达标时间长的问题,提出了工作面分区增透高效抽采技术,运用分组试验和理论分析的方法,研究了不同布孔工艺参数条件下CO₂相变致裂对低透煤层瓦斯抽采的增透作用规律,并在试验工作面进行了工业应用。研究结果表明:CO₂相变致裂技术对低透煤层增透促抽效果良好,与未致裂抽采相比,采用间距20,10,5 m致裂孔致裂条件下进行抽采时煤层透气性系数分别提高1.8,2.6,5.8倍,平均抽采体积分数分别提高1.9,3.5,4.2倍,平均抽采纯量分别提高2.4,4.2,6.2倍。试验工作面应用分区增透高效抽采技术后,整个工作面形成后仅需抽采87 d即可达标进行回采,显著缩短了抽采周期,对高瓦斯低透煤层缓解采掘接替紧张及提高瓦斯抽采效率具有重要借鉴意义。     

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。     

工作面水力卸压防突作用的数值模拟

为进一步摸清水力卸压的防突作用原理,笔者用UDEC软件对张集煤矿7353工作面水力卸压措施进行了数值模拟。先介绍水力卸压技术及模拟工作面概况,后通过确定几何模型及单元划分、边界条件及初始应力场、力学模型、开挖模型、水力卸压后相关参数等环节进行数值模拟和分析,与此同时,通过测定现场水力卸压后的煤体位移并与数值模拟对照,验证数值模拟方法的正确性。从模拟及现场结果看,水力卸压后的煤壁位移量加大,塑性区范围增大,应力集中程度下降,集中应力深移,卸压带加长,降低了工作面前方煤体的弹性潜能,增加了煤层透气系数及煤体颗粒运动的阻力,从而起到预防突出的作用。     

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。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3~(-1)煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3~(-1)煤层矿压显现的影响特征。结果表明:2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%~14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3~(-1)煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%~32%;揭示了3~(-1)煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3~(-1)煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层工作面来压步距为12~14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10~11 m;相似模拟表明,3~(-1)煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。     

基于体积应变含瓦斯煤增透率模型及采动响应研究

为获得含瓦斯煤开采过程中渗透率的采动响应规律,从孔隙率的基本定义出发,通过引入增透率来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,建立了基于体积应变的含瓦斯煤增透率模型。基于增透率模型,结合工程实例采用Comsol Multiphysics模拟了含瓦斯煤开采过程中增透率的变化规律,并开展了增透率采动响应的试验研究。研究结果表明:增透率模型可对采动裂隙网络形成的煤层透气性进行定量评价研究,采动是影响含瓦斯煤增透率的关键因素,受采动影响,煤体体积应变、增透率的变化规律均基本一致,煤体膨胀变形、增透率随采煤工作面的推进逐渐增大,增透率的变化滞后于体积应变的变化,且越靠近工作面煤层增透效果和瓦斯抽采效果越好;沿煤层倾向,回风巷侧最大瓦斯抽采量大于运输巷侧,煤体增透率亦大于运输巷侧。依据增透率的采动响应规律调整瓦斯抽采孔与工作面的角度,可增加抽采量,降低工作面瓦斯浓度。     

浅埋煤层开采覆岩运动规律模拟与试验研究

为了进一步掌握浅埋煤层开采覆岩运动规律,以神东矿区某矿22616面为工程背景,采用数值计算与相似试验相结合的方法研究了浅埋煤层开采覆岩下沉位移与应力分布特征,并进行了现场验证。发现现场监测数据和数值计算与相似试验结果较为一致,表明22616面属于典型浅埋煤层工作面,老顶初次来压步距46~48 m,周来压步距12~19 m,来压期间老顶瞬间垮落,下沉位移明显,台阶下沉特征显著;随工作面推移,采场前方煤体20 m范围内出现超前支承压力,应力峰值达到4.3 MPa,因此应提前采取加强支护措施。     

煤层水力压裂合理参数分析与工程实践

煤层水力压裂技术是近年来应用于高瓦斯低透气性突出煤层的一种卸压增透消突技术,人们对水力压裂的卸压增透消突机理有了较充分的认识,现场工程应用的效果也较好,但有关煤层水力压裂参数是如何确定的系统分析却是很少。笔者在阐述水力压裂机理及压裂过程的基础上,系统地阐述高瓦斯低透气性突出煤层水力压裂所需的注水压力、流量、注水时间、注水速度、孔间距、封孔长度等技术参数以及煤体内在因素的影响作用;最后在义安矿FD003工作面进行了水力压裂试验研究和效果考察,得出适合义安矿的水力压裂合理注水参数。通过水力压裂,煤层瓦斯抽放量和抽放浓度得到大幅度提高,达到了卸压增透防突效果,同时起到了润湿煤体和降尘效果。     

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。     

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.     

近距离煤层群下行开采切眼错距确定分析

在近距离煤层群的开采中,工作面巷道位置选择直接影响其支护方式、顶底板管理等生产工作。为了得到下位煤层工作面切眼的合理位置,利用基于三维显式有限差分法的计算工具Flac3D,以矿井近距离煤层9、101、102为工程实例,分析了在近距离煤层群回采时期,下邻近层综采工作面切眼位置与上邻近层预留保护煤柱错距。结果表明,上邻近层回采后,在其因支承压力和拉张作用下的下沉盆地中岩层内,主要发生塑性变形;上覆岩层破坏范围为26m,底板破坏范围为5.6m,采空区左右两侧破坏范围3~5m;下位煤层10603工作面切眼与上位煤层9煤保护煤柱错距应大于5m。