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。     

长壁综采工作面覆岩采动变形破坏时空演化规律研究

回采工作面煤层被采出以后,上覆岩层产生离层、断裂、垮落等运动,形成的冒落带和裂隙带范围对煤矿安全生产影响极大.以顾桥煤矿1116(1)综采工作面为工程背景,采用数值模拟和井下电法测试技术,研究了淮南矿区11-2煤层开采时覆岩移动破坏的规律.结果表明:在垂直方向上,采空区上方覆岩破坏分区特征明显,由下而上依次为双拉应力破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区域;冒落带最大高度11.5～14.5 m,裂隙带最大高度45～47.5 m;覆岩破坏最终形态类似于马鞍形,破坏在水平方向的范围要比开采区域大.     

采动岩体破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于降低采煤工作面瓦斯浓度和减少采空区瓦斯涌出的重要性,采用岩石破裂过程分析软件( RFPA2D)对鹤壁六矿21151顶分层工作面上覆岩层随工作面推进的运动情况进行了数值模拟.从中获取了上覆岩层的运动信息,得到了顶板由变形到损坏的全过程及损坏规律,并用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定工作面上覆岩层的裂隙带高度为12.3～44m.高位钻场抽采参数优化后,平均抽采量达到6.79 m3/min.     

非等值冒落采空区“三带”考察及其模拟验证

为提高高位裂隙钻孔抽采采空区瓦斯的效果,必须掌握采空区"三带"特征。在理论分析的基础上,现场考察黄陵2号煤矿107工作面冒落带分布,结果表明:冒落带呈拱形分布,并且沿采空区横向对称,最大冒落高度为19 m。通过Fluent数值模拟方法,得出采空区瓦斯抽采的最佳区域,验证了现场考察冒落带非等值高度的正确性。这表明,在分析采空区"三带"特征时,应考虑冒落高度的非等值性,进而通过理论分析、现场考察、数值模拟等手段得出采空区抽采的最佳区域。     

极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究*

为深入研究极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律,采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析袁店一矿824工作面覆岩“两带”的裂隙演化特征。结果表明:从岩层层向拉伸率角度,研究上覆岩层垮落带和导水裂隙带的垮落程度,考虑角度影响推导出岩层弯曲下沉边缘段变形前后的长度计算公式,根据覆岩的碎胀特征计算各岩层的最大下沉量,预测垮落带和裂隙带的范围分别为30.2~41.2 m和70.7~78.2 m;采用3DEC数值模拟分析该矿824工作面开挖后上覆岩层垮落的基本形态和裂隙分布规律,结合其应力、位移云图和监测线位移曲线的分布特征,得出垮落带和裂隙带的高度分别为32.50 m和77.25 m;采用分布式光纤应变监测系统,监测工作面前方80 m处上部顶板的受力情况,得出受采动影响的光纤应变呈起伏变化,且应变分布与地层岩性存在对应关系,得出垮落带高度约30.4 m,裂隙带高度约74.8 m,验证采用层向拉伸率和覆岩碎胀性2个方面来预测工作面覆岩“两带”高度的合理性,可为类似方面的研究与施工提供相应的技术依据。     

顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究及应用

为了解决由于采空区及邻近煤层瓦斯的涌人而造成的工作面上隅角瓦斯超限问题,提出了运用顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术,对采空区及邻近煤层瓦斯进行抽采,进而解决上隅角瓦斯超限问题的方法。利用分源预测法对工作面瓦斯涌出源进行了分析,并理论计算了采空区冒落带和裂隙带的高度范围,结合矿井具体情况,确定了合理的高位钻孔参数,并对作用效果进行了现场考察。研究表明：高位钻孔瓦斯抽采技术,能有效地解决工作面上隅角瓦斯超限问题,降低回风流中瓦斯体积分数,并提高了工作面的推进速度,有效地保证了工作面的安全回采。     

综采工作面上覆岩层裂隙动态发育规律

以陕西某矿为试验矿井,采用现场试验、数值模拟研究了综采工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育特征。研究结果表明,陕西某矿综采工作面冒落带和裂隙带发育高度分别为42.9,94.2 m;工作面回采前裂隙发育度低,工作面回采后,受采动影响裂隙发育度明显提高;工作面推进到某一位置前,裂隙数量及发育高度随着工作面的推进而不断增加,随着工作面继续推进,采空区被压实,裂隙数量降低,而在工作面边缘区域,裂隙数量一直处于高水平,整个裂隙发育曲线呈"波浪"型分布。     

瓦斯抽采下沿空留巷工作面采空区漏风机制研究

漏风对煤自燃有重要影响,研究漏风形成机制对工作面采空区防火具有重要的作用。针对采空区瓦斯抽采、上覆围岩裂隙发育对采空区漏风影响问题,以沙曲矿沿空留巷综放工作面为研究背景。根据采空区上覆煤岩特性选择经验公式计算采空区裂隙发育高度,分析了沿空留巷侧采空区上覆裂隙发育,现场实测了沿空留巷压埋管及高位钻孔中气体体积分数,并根据实测参数利用数值模拟分析了瓦斯抽采条件下采空区风流流场变化。结果表明:上覆裂隙成为采空区漏风通道,导通距离在27.2~37.2 m;在沿空留巷侧采空区回采距离100m,其氧气体积分数在10%以上,验证了采空区漏风去向;模拟结果显示,沿空留巷侧采空区立体空间范围内氧气体积分数均达到10%以上,模拟结果与实测基本保持一致。最终确定瓦斯抽采条件下沿空留巷的布置及煤岩裂隙发育是形成漏风通道的主要原因。     

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明：连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0～20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。     

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。     

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。     

基于因果模糊聚类法预测覆岩裂隙带高度研究

为了研究不同采高、煤层倾角、岩石抗压强度、岩层结构、采空区斜长、埋深等因素影响下采空区覆岩裂隙带高度发育规律,对收集的实测数据进行因果模糊聚类分类、分析,对各个类别,代入裂隙带高度接近均值的实测数据运算,获得各个因素对裂隙带高度影响合适的权重,进而建立对应的特征模糊集,并构造对应的三角模糊数,最终建立模糊预测模型。通过案例分析对模糊预测模型进行了验证,结果表明其误差范围为0.83-2.70m,满足工程应用的精度需求。     

地下水侵入采空区的覆岩活动物理模拟试验

为探究地下水侵入采空区后的覆岩移动及覆岩残余变形对地表的影响规律,以金家庄煤矿为例,利用相似材料物理模拟试验方法,对煤层开挖至地表稳沉、稳沉后地下水侵入采空区的覆岩移动过程进行长期观测分析。结果表明:地下水侵入对残留煤柱的浸泡、溶蚀作用破坏覆岩原有的应力平衡状态,采空区出现岩体孔隙、裂隙和空洞的再压密,并伴随岩块的转动和蠕变等"活化"现象,地表再次下沉;由下而上,从垮落带、裂隙带到弯沉带的岩层活动强度逐渐减弱;采空区中央的地表下沉比其他区域的地表下沉明显,地表下沉呈对称分布,下沉范围随时间的延长而逐渐扩大。     

煤炭地下气化燃空区覆岩移动规律研究

为研究煤炭地下气化过程中覆岩的运移规律,以乌兰察布煤炭地下气化试验区工程地质条件为研究背景,首先进行了高温下煤层顶板的物理力学特性测试,获得了不同温度下岩体(粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩)的比热容、导热系数、单轴抗压强度及弹性模量;其次建立了相似材料物理模型,分析了燃空区覆岩运移规律。结果表明:在100~1 000℃内,随温度升高比热容及导热系数呈现下降趋势,而在100~750℃内,随温度升高单轴抗压强度呈现增大趋势;乌兰察布煤层气化时,覆岩运移规律与井工开采类似,具有初次来压及周期来压特征,初次来压步距为42 m;亦存在明显的三带分布,即冒落带、垮落带和弯曲下沉带,导水裂隙带高度为28 m;覆岩运移过程中对燃气管亦产生较大的影响,其中1#燃气管在煤层顶板上方26~28 m处受到的水平应力最大,为最易变形断裂位置;在现场用钻孔探测法进行验证,得出导水裂隙带的高度为31.21 m,与相似模拟试验得出的数据吻合,证明了相似材料物理模型的合理性。     

高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟

为了掌握高瓦斯沿空留巷采空区遗煤自燃危险区域分布规律,指导工作面防灭火工作。采用数值模拟的方法,以首次采用沿空留巷技术的乌兰矿工作面为实例,模拟分析采空区漏风及氧化带三维分布规律。使用单因素分析法,分别模拟高位钻孔、上隅角埋管及地面钻孔抽采对采空区氧气浓度分布的影响。结果表明:多种瓦斯抽采措施下,工作面及沿空留巷均向采空区漏风,导致氧化带范围扩大,但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同,高位钻孔抽采最弱,上隅角瓦斯抽采次之,地面钻孔抽采最强。沿空留巷附近及上覆采空区供氧时间长,自然发火危险性高。     

高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟北大核心CSCD

为了掌握高瓦斯沿空留巷采空区遗煤自燃危险区域分布规律,指导工作面防灭火工作。采用数值模拟的方法,以首次采用沿空留巷技术的乌兰矿工作面为实例,模拟分析采空区漏风及氧化带三维分布规律。使用单因素分析法,分别模拟高位钻孔、上隅角埋管及地面钻孔抽采对采空区氧气浓度分布的影响。结果表明:多种瓦斯抽采措施下,工作面及沿空留巷均向采空区漏风,导致氧化带范围扩大,但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同,高位钻孔抽采最弱,上隅角瓦斯抽采次之,地面钻孔抽采最强。沿空留巷附近及上覆采空区供氧时间长,自然发火危险性高。     

近距离煤层群倾向穿层钻孔合理布孔参数研究

为了解决新源煤矿在近距离煤层群赋存条件下采用倾向穿层钻孔抽采邻近煤(岩)层卸压瓦斯,抽采瓦斯浓度低,抽采率不达标,回采工作面上隅角瓦斯超限严重等问题。通过采用UDEC软件模拟采动覆岩移动破坏规律,获得开采2号煤层时上覆岩层裂隙带范围9~16m,确定倾向穿层钻孔合理布孔参数,钻孔倾角:21°~26°,孔深:44~47m。经在2219工作面试验考察,与原始参数钻孔抽采效果相比,钻孔平均瓦斯抽采浓度增加6倍多,抽采纯量增加15倍多,有效抽采距离增加3倍多,倾向穿层钻孔抽采率从20%提高到56.8%,回采期间上隅角瓦斯浓度能够控制在0.5%以下,保障了矿井安全生产。     

公篓矿采空区上覆岩层导水性探测

通过在公篓矿充分采动、沉降稳定后的采空区地面施工钻孔,对采空区上覆岩层的导水性进行观察,测试和分析研究,确定导水裂隙带高与煤层采高的关系,计算公篓矿水体下采煤的最小防水安全煤岩柱尺寸,为右江河底下采煤提供可靠依据。对地层条件相似的矿山开展水体下采煤工作具有特别重要的参考意义。     

放顶煤工作面立体自燃带动态变化特性研究

为探究采空区自燃带动态分布特征,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法,研究空隙、裂隙结构及氧化速率改变对采空区漏风及氧气体积分数分布特征的影响,揭示综采放顶煤自燃带由采空区后部向工作面顶煤动态变化特性。结果表明：受采动应力及上覆岩层垮落滞后影响,顶煤裂隙及采空区空隙结构随暴露时间延长发生改变;支架后方中上部伞檐空场形成自由扩散漏风;随冒落煤岩体暴露时间增加,耗氧速率增大,顶煤裂隙结构发育,采空区垮落空间上移,中下部内部空隙结构下降,导致自燃带范围由采空区后部向综采支架顶煤范围扩展。     

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。