保护层开采被保护层膨胀变形分析方法

基于传统的膨胀变形特征分析多是对被保护层在法线方向上通过测量两个定点 的距离变化来表征,这种从“两个定点”距离变化角度分析膨胀变形的方法只考虑被保 护层在法线方向上的变形特征,不能反应出被保护层的横向变形。针对计算结果不能全 面、准确的反应煤岩体的膨胀变形特征问题,首次提出了保护层开采过程中被保护层膨 胀变形的“四个定点围域面积”分析方法,该方法通过面积膨胀变化分析被保护层膨胀 变形特征。研究分析了在开采实践和实验室中“四个定点围域面积”的监测方案、面积 分析计算方法和“四个定点围域面积”的合理尺度。以沙曲矿多煤层开采相似模拟为背 景,分析了不同尺度下“四个定点围域面积”分析法的精度。研究表明,“四个定点围 域面积”分析方法较“两个定点”分析方法精度更高,被保护层厚度1倍尺度围域内划 分的面积单元格越多,膨胀变形计算精度越高。     

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.     

上保护层开采相似模拟实验台的研发及应用

基于对上保护层的开采及其渗透性影响因素的分析,自行研制了上保护层开采时被保护层渗透性测试相似模拟实验台。本实验台解决了对两煤层处于不同间距及不同采高条件下的开采过程中,被保护层渗透性变化的问题。实验结果表明,被保护层随工作面的推进,瓦斯渗流速度的变化趋势,经历了由原始渗透性先降低、后升高、再降低、再升高、最后保持不变的过程。     

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。     

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。     

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。     

软岩保护层开采采动卸压效果的预测及应用

为了研究软岩保护层不同开采参数下采动卸压影响规律,探讨5种不同开采参数下被保护层的等效膨胀率和等效卸压率,构建软岩保护层卸压效果改进鲸鱼BP神经网络预测模型,对不同开采参数下被保护层卸压程度进行预测,通过灰色关联度分析影响采动卸压效果的主次影响因素。研究结果表明：对软岩保护层卸压效果产生影响的主要因素是关键层位置,其次是层间距、采高、面长和埋深,灰色关联度分析结果与实际情况相吻合。模型能较为准确地预测各种情况下被保护层的卸压情况,预测误差小于5%,并且模型易于实现、操作简单。研究结果可为软岩保护层卸压开采提供重要的参考价值。     

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‰。     

急倾斜上保护层开采保护效果的参数敏感度研究

为对急倾斜上保护层开采过程中,保护层开采多参数同时变化时的保护效果变化规律进行量化研究,将被保护层膨胀变形曲线的形态参数作为保护效果考察指标,基于可旋转CCD试验方案进行有限元计算,建立了保护层开采保护效果的响应面模型,得到了不同保护效果指标受多个保护层开采参数变异影响的敏感度。通过对急倾斜上保护层开采实例进行敏感度分析得到:范围相关保护效果指标受保护层开采参数变异影响的敏感度最高,位置相关保护效果指标敏感度次之,卸压程度相关保护效果指标敏感度最小。范围相关保护效果指标中,上部卸压角受侧压系数变异影响最敏感,敏感度为1.70;下部卸压角受层间距变异影响最敏感,敏感度为1.02;倾向保护范围长度受层间距变异影响最敏感,敏感度为-1.89。     

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。     

下保护层开采覆岩卸压及瓦斯运移规律

为了研究中远距离下保护层开采覆岩卸压及瓦斯运移规律,以寺河矿和海天煤业为试验矿井,采用FLAC3D对开采覆岩卸压特征进行分析,采用COMSOL对开采被保护层瓦斯运移规律进行研究,并进行了现场实测验证。研究结果表明,保护层开采后,覆岩应力呈分区式分布,随着距煤层距离的增加,应力集中系数和卸压程度逐渐减少;保护层开采后,3#煤层应力降到最小值3.4 MPa,降幅达到57.8%;以膨胀变形量0.3%作为临界指标,被保护层的走向和倾向卸压角分别是59°,62°;保护层开采后,瓦斯质量浓度由7.82~9.75m~3/t降到4.12~4.36 m~3/t,瓦斯压力由0.37~0.46 MPa降到0.22~0.26 MPa,透气性系数增加了500多倍,被保护层产生的次生裂隙对于瓦斯解析具有促进作用,大大提高了煤体透气性。     

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。     

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。     

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。     

基于AHP-TOPSIS法综合评判的保护层开采选择*

为优选首采层作为保护层开采,选取5个一级指标和19个二级指标,建立以AHP（层次分析法）和TOPSIS（逼近理想解排序法）为基础的煤层突出危险性评价模型,通过层次分析法确定各指标的权重,结合逼近理想解排序法分析贴近度并预测出煤层突出危险可能性,并进行现场工业性实验。结果表明:AHP-TOPSIS综合评判法预测优选8号煤层作为保护层开采,并经现场工业性实验验证,瓦斯解放效果较好。该方法结合主观因素和客观因素,避免单一地从主观出发或从客观出发带来的决策失误,并选取大量评价指标,使预测结果更贴合实际情况,可作为优选保护层的理论依据。     

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。     

近距离煤层群上行开采条件下高位被保护层工作面瓦斯的治理

本文以贵州盘江精煤股份有限公司土城矿13125工作面实际为例,对高位被保护层工作面覆岩裂隙演化及瓦斯运移规律进行具体分析,为高位被保护层工作面瓦斯抽采方案的选择提供理论支持。通过现场实施效果表明,以覆岩采动裂隙演化理论与瓦斯运移理论为依据设计的瓦斯抽采方案,抽采率高达64.84%,且开采期间回风巷瓦斯平均浓度控制在0.31%左右,抽采效果非常理想。     

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。