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。     

深部高应力煤层卸压开采相似材料模拟试验

处于深部开采且煤层位于轴部构造的矿井,巷道变形量大、变形速度快且持续时间长,巷道维护十分困难。卸压开采技术是控制矿山压力的有效手段。以大安山煤矿为工程背景,采用相似材料模拟进行卸压开采及非卸压开采两组模型对比试验,研究下保护层轴9煤层开采对被保护层轴10煤层的卸压效果,通过监测保护层开采过程中及开采稳定后轴10煤层卸压系数变化特征、岩层裂隙发育程度及变形情况来检验卸压效果。结果表明:卸压开采条件下,轴10煤层顶板应力普遍降低,峰值应力降低9.4%;岩层裂隙发育密度及煤岩层变形量大,岩层最大裂隙密度为14条/cm,上升16.7%;岩层最大下沉量为54.6 mm,上升21.6%,表明岩层受卸压作用,应力明显减小,弹性能释放程度较好,有利于减弱强矿压现象。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

上保护层开采对下部特厚煤层移动变形规律及保护效果考察研究

选取海石湾煤矿特厚煤层6124工作面为研究对象,为了确定上保护层开采对下部特厚煤层6124工作面的影响,运用FLAC3D软件对上保护层开采后被保护层应力和位移变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:被保护层被保护区域位移沿垂直方向呈“拱形”分布,被保护层最大位移变化量为354 mm,变化范围在160～354 mm之间;被保护层被保护区域的应力变化呈“V”形分布,被保护层最大拉应力变化量为0.489 MPa,变化范围在0.314～0.489 MPa之间,最大压应力变化量为31.3 MPa,变化范围在25.8～31.3 MPa之间;实施上保护层开采后,煤层瓦斯抽采率提高了39.5%,残余瓦斯含量降到7.16 m3/t,残余瓦斯压力降到0.58 MPa,该参数的确定为海石湾煤矿特厚高瓦斯煤层的合理开采提供了一定的理论指导。     

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。     

近距离上保护层开采最小安全岩柱厚度研究

运用岩石力学知识和数值模拟方法,分析近距离保护层矩形掘进巷道周边的应力分布规律以及巷道塑性区范围的确定方法,并结合平煤集团五矿的保护层开采条件,利用FLAC数值计算程序对该矿近距离上保护层掘进期间不同岩柱厚度条件下的保护层底板塑性破坏范围进行数值模拟,在此基础上,提出合理确定保护层底板安全岩柱厚度的方法,现场观测结果表明,理论计算与数值模拟结果比较吻合,符合生产实际。     

多手段综合分析特厚煤层分层开采覆岩破坏高度

为研究特厚煤层分层开采过程中已采工作面上覆围岩破坏高度,以老虎台矿83002已采工作面为例,分别采用EH-4物理探测、数值模拟和微震监测等多种手段进行分析论证。EH-4探测确定了垮落带和裂隙带位于油页岩层内,高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面,F1断层处出现离层空间,数值模拟和微震监测对该结果进行了验证;数值模拟和微震监测综合确定了覆岩破坏高度为400～485 m,为累计采高的6.3～7.5倍。研究成果可对下一分层83003工作面的安全开采进行指导,为类似条件矿井提供借鉴。     

急倾斜水平分层综放开采矿压显现规律

水平分层综放开采技术能够实现急倾斜厚煤层的安全高效回采。急倾斜开采工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与缓倾斜煤层开采有显著区别。为了进一步研究急倾斜水平分层综放开采的矿压显现规律,本文以大台井-10水平3#、5#合并煤层放顶煤工作面为实验研究内容,提出-10水平石炭纪急倾斜近距离煤层联合开采的方案,应用相似试验和数值研究采用联合放顶煤开采条件下,3#、5#煤层在开采过程中的放煤规律、矿压显现情况、以及围岩等破坏的一般规律,揭示了第一分层和第二分时岩层垮落状态及应力分布特征,本文研究成果提高了煤炭的回采率,保证了安全条件下的高效开采,对指导合理支护参数的确定和现场工程实践具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

基于力电耦合冲击矿压电磁辐射预测法的研究

笔者首先提出了煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力耦合的概念 ,然后在实验研究、理论分析和数值模拟的基础上从力电耦合的角度研究了煤岩冲击矿压预测的电磁辐射法 (EME)。研究结果表明 :FLAC3D方法能对矿山巷道掘进过程煤岩内部应力场进行有效的数值模拟 ;电磁辐射信号主要来源于应力集中区 ,在场点监测到的电磁辐射信号主要是应力集中区煤岩变形破裂过程产生的 ;EME信号呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律 ;利用力电耦合方法研究煤岩冲击矿压电磁辐射预测法是可行的。笔者最后还对未来煤岩冲击矿压电磁辐射预测法的研究进行了展望。     

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。     

煤层条带开采整体安全系数确定方法研究

为评价工程中条带开采方案的煤层整体稳定性,确定开采方案的安全程度,基于强度折减原理,应用FLAC3D数值模拟软件,将工程实际与数值实验相结合,研究煤层条带开采对地表沉陷、围岩变形和破坏的影响,用安全系数对安全程度进行评价。提出条带开采整体失稳的临界状态判断标准为采空区之间及采空区至地表岩体塑性区域连通,并以地表最大沉降和顶板最大位移突然增大作为临界状态判断标准的验证条件,结果表明:应用强度折减原理进行数值模拟确定的条带开采整体安全系数与工程实际相吻合。