煤层群双重卸压开采覆岩移动及裂隙动态演化的实验研究

近距离煤层群双重卸压开采时,顶底板煤岩层反复破坏,形成了不同于单层煤层开采的裂隙通道,对瓦斯抽采造成了较大影响。采用相似材料模拟实验研究了单层开采和双重卸压开采覆岩位移、裂隙及应力分布与演化规律。研究表明：在双重卸压开采作用下,一些覆岩裂隙经历了生成、扩展、压实、张拉、再压实等复杂的过程;覆岩中形成了裂隙趋于闭合的“压实区”和裂隙趋于张开的“裂隙区”,这些裂隙形成了立体交错的瓦斯运移通道,并随双重卸压开采工作面推进而变化。提出了近距离煤层群重复卸压开采瓦斯立体抽采模式,实现上覆煤岩层和下伏煤岩层裂隙通道瓦斯的全面抽采,并在贵州盘江精煤股份有限公司金佳煤矿成功应用。     

软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究

针对软岩保护层开采后上覆被保护煤层卸压瓦斯治理问题,以淮北芦岭煤矿首例软岩保护层开采试验为工程背景,采用综合研究方法研究软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化特征。结果表明:Ⅲ11软岩保护层开采后覆岩冒落带和裂隙带最大发育高度分别为10.1～12.4,52.7～59.95 m,采空区侧及上覆被保护层煤层下部存在竖向裂隙发育区和远程离层裂隙发育区;设计地面采动井和拦截钻孔抽采覆岩8、9煤层卸压瓦斯,优化地面采动井终孔位置垂直方向距顶板法距20 m,倾斜方向距风巷或机巷平距35 m,拦截钻孔终孔位置距9煤底板5 m。考察期卸压瓦斯抽采实践表明,软岩保护层开采后覆岩"两带"发育高度的判断和卸压瓦斯富集区域的辨识是合理正确的。     

改进抽放方法提高瓦斯抽放效果

分析了回采工作面回采过程中顶板覆岩卸压移动规律及其顶板覆岩结构与关键层层位对覆岩移动规律的影响，提出了利用采动煤层顶板覆岩卸压裂隙发育特征，实施覆岩卸压区走向长钻孔抽放瓦斯.给出了顶板走向长钻孔卸压抽放的合理布置区域，并在抽放钻孔内下入套管，增加了钻孔有效抽放时间和长度，完善了顶板走向钻孔抽放瓦斯的技术，取得较为理想的瓦斯抽放效果.     

低渗透性煤层群卸压开采地面钻井抽采瓦斯技术

基于淮南矿区高瓦斯低渗透性煤层群赋存条件,通过试验模型分析了卸压开采后的覆岩移动破坏、卸压煤层移动变形、采动裂隙垂向分带和卸压煤层应力分带特征,得出了首采层采空侧顶板至上覆卸压煤层顶板中存在环形裂隙区、竖向裂隙区、远程卸压煤层裂隙区,根据采动裂隙区发育特征,提出了卸压瓦斯抽采地面钻井的部署方法。在顾桥矿1117(1)工作面切眼外侧、风巷内侧和工作面前方分别布置有“”、“│”型和“L”型地面钻井,实现了长时间、大范围、较高的卸压瓦斯抽采率。总结了地面钻井位置、钻井型式、钻井稳定性与卸压瓦斯抽采效果之间的关系。     

佳瑞煤矿近距离邻近层高抽巷瓦斯抽采技术研究与实践

煤层开采,采动裂隙发育形成瓦斯流通通道,影响范围内近距离邻近煤层内卸压瓦斯往往通过该通道流至回采工作面,造成瓦斯积聚超限。本文研究了近距离邻近层卸压瓦斯特征及高抽巷抽采该卸压瓦斯的技术原理,并成功应用于工程实践中。     

关键层结构对保护层卸压开采效应影响分析

由于保护层卸压开采,导致覆岩结构的运动,致使上覆煤层变形,产生卸压效应,改变被卸压煤层的透气特性,为卸压瓦斯抽采创造有利条件.采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了上覆煤岩层采动裂隙演化、卸压煤层采动应力及位移分布、瓦斯参数变化等规律,结果表明:1)下保护层开采引起的上覆煤岩层采动裂隙集中分布在采场两端部,并呈竖向偏采空区方向发育,离层裂隙发育至被卸压煤层上方;2)开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育,卸压开采导致上覆煤层产生膨胀变形,透气性明显增加;3)由于被卸压煤层和保护层之间关键层结构的力学效应,使被卸压煤层透气系数增加幅度不显著,导致抽采孔瓦斯压力降低速度放缓.无关键层结构时,采动影响区内抽采孔瓦斯压力降低较快.     

倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”（应力场、位移场和裂隙场）演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明：倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力-倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展-低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小-快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化...     

回采面顶板覆岩卸压抽放瓦斯机理及合理参数研究

通过理论分析和现场试验分析了煤炭开采顶板覆岩冒落变形动态变化规律,分析了覆岩关键层的层位及岩体特性对煤层回采后顶板岩层的冒落区、裂隙区的扩展影响特征;结合现场工程实际,提出了顶板覆岩卸压抽放技术,分析了影响瓦斯抽放量的因素,给出了顶板卸压钻孔的合理布置参数,为高瓦斯煤田瓦斯抽放提供了一条新途径。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

低瓦斯煤层高强开采覆岩卸压瓦斯抽采合理布置研究

针对低瓦斯厚煤层高强综放开采卸压瓦斯治理问题,采用物理模拟、数值分析和现场监测方法,研究工作面开采初期和稳定时期覆岩结构演化及裂隙场分布特征,揭示了考虑采动裂隙场的卸压瓦斯场分布特征;依据研究获得采动瓦斯聚集区分布,提出采用高位定向长钻孔治理采空区卸压瓦斯,并进行了效果检验。结果表明:工作面推进至135 m后,覆岩结构和裂隙演化基本稳定,垮落带发育高度为25～27 m,裂隙带发育高度为75～95 m,弯曲下沉带发育高度达到110 m左右;采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷25～55 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;高位定向长钻孔瓦斯抽采技术实施后,抽采平均浓度为5.8%,平均流量为0.71m~3/min,工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理取得较好效果,为类似条件下的卸压瓦斯治理提供参考。     

急倾斜综放开采顶板裂隙发育规律对瓦斯抽采影响研究

为了研究急倾斜走向长壁放顶煤开采顶板裂隙发育规律及其对瓦斯抽采的影响,结合弹塑性力学和断裂力学相关理论分析了急倾斜煤层裂隙扩展的力学准则,将瓦斯流动通道进行了分区:瓦斯孤立通道区、瓦斯过渡通道区和瓦斯网络通道区;对宝积山煤矿急倾斜特厚煤层走向长壁放顶煤开采在不同煤层倾角条件下上覆岩层裂隙发育规律进行了分析,得到了随着角度变化瓦斯流动通道区域形态的变化规律。研究结果表明:瓦斯网络通道区上部为高位人工导向通道贯穿的主要区域,该区域分布范围随着煤层倾角增大而趋于工作面上端头,其高度也增大;根据数值模拟和理论计算可确定瓦斯抽采方案,在工程实践中取得良好效果。     

综放面顶板覆岩走向长钻孔卸压抽放瓦斯研究

通过理论分析和现场实际考察分析了煤炭开采顶板覆岩垮落变形动态变化规律，分析了覆岩关键层的层位及岩体特性对煤层回来后顶板岩层的垮落区、裂隙区的扩展影响特征；结合现场工程实际，提出了针对低渗透性煤层提高煤层瓦斯抽放率的一种新的顶板覆岩卸压抽放技术，分析影响瓦斯抽放量的因素，给出了顶板卸压钻孔的合理布置区域。     

厚煤层双重卸压采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术

针对下石节煤矿222工作面开采过程中双重卸压造成工作面瓦斯涌出量高导致瓦斯超限的安全难题,结合采动裂隙"O"型圈和"环形裂隙体"理论,在分析厚煤层综放开采双重卸压采动覆岩破坏特征的基础上;采用相似模拟和数值模拟研究了双重卸压工作面开采采空区覆岩裂隙演化模型,确定了裂隙场和应力场演化反馈机制,依据裂隙密度,将覆岩裂隙场划分为贯通渗透区、纵向渗透区和水平渗透区;结合Fluent模拟瓦斯流场运移机理,将双重卸压采空区覆岩裂隙场+应力场+瓦斯渗流场相互耦合,进一步补充了采空区瓦斯流场规律:低位低浓度瓦斯流动带和高位高浓度瓦斯流动圈;提出了双重卸压采空区卸压瓦斯治理方式为复合采空区高位定向钻孔瓦斯抽采方案,并进行了工程应用。结果表明:确定卸压瓦斯抽采富集区域范围为回风侧偏向工作面宽度40 m,距离煤层顶板60.8 m以上150 m以下范围内;通过在复合采空区将高位定向钻孔瓦斯抽采方案的实施,上隅角瓦斯浓度低于0.8%,工作面及回风巷瓦斯浓度低于0.3%。     

高瓦斯煤层覆岩活动规律研究

为了提高高瓦斯煤层采空区覆岩卸压瓦斯抽采效果,以微震监测的技术手段,对采动过程中采空区覆岩微震事件进行监测并记录,据此对采空区覆岩的破裂特征进行分析得到采动裂隙带的空间位置,进而判定采动覆岩高位瓦斯富集区。监测结果表明:工作面在回采期间周期来压步距约20 m,采动裂隙带高度约45 m,以此确定了高抽巷的垂距在38 m时最为合理,并利用理论计算的方法对此进行了验证。     

近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究

围岩应力、裂隙分布特征是影响突出危险煤层瓦斯抽采效果的重要因素,为优化突出危险煤层群瓦斯预抽方案,以沙曲煤矿近距离煤层群开采为背景,采用相似模拟实验研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征。结果表明：3+4号煤初采时,叠加采动的影响下,顶底板卸压程度较一次采动影响时高,但高卸压程度阶段持续长度减少,约105 m,底板最大应力降低值可达12 MPa,是保护层开采时最大应力降低值的1.5倍;进入正常推进阶段,仅距采空区两侧煤壁一定范围L内仍保持较高裂隙发育和应力降低程度,且较保护层开采时L值减小,20~30 m,采空区中部覆岩裂隙再次闭合,围岩应力出现恢复现象;工作面推进距离一定条件下,双重采动影响下顶底板卸压程度及裂隙发育程度较一次采动影响下明显升高;被保护层开采时,3+4号煤同2号煤之间岩层破碎程度最高,裂隙最为发育,覆岩裂隙发育程度随工作面推进距离增加而升高,由于形成稳定顶板结构的随机性,覆岩裂隙频数程台阶式增长。最后将研究结果应用于沙曲煤矿高瓦斯煤层群开采时瓦斯抽采钻孔的布置设计,取得较好的抽采效果。     

大倾角高瓦斯煤层采动覆岩“三带”微震监测及瓦斯抽采效果

为了明确大倾角高瓦斯煤层采动覆岩裂隙发育情况,提高卸压瓦斯抽采效果,运用了微震监测技术对新疆硫磺沟煤矿（4-5）06工作面推进过程中采动上覆岩层的微震事件进行实时记录,据此分析了采动上覆岩层的裂隙发育形态特征和演化趋势,且运用经验公式对微震监测结果加以验证,并结合监测结果对高位钻场瓦斯抽采参数进行了优化,检验了卸压瓦斯抽采效果。结果表明:（4-5）06工作面周期来压步距约15 m,采动覆岩断裂带高度约60 m,裂隙发育形态整体呈不对称椭抛带,其中心对称轴向回风巷一侧偏移。以此为依据,对高位钻场瓦斯抽采钻孔参数进行优化,设计高、中、低3个层位钻孔,且全部布置于靠近工作面一侧的瓦斯优势运移通道带以内区域。通过分析现场瓦斯抽采监测装置记录的数据发现,高位钻场中高、中、低3个层位钻孔瓦斯抽采浓度及抽采流量均呈现先增大后减小的趋势,且中层位钻场瓦斯抽采浓度明显高于其余层位。优化后高位钻场瓦斯抽采流量为63～85 m³/min,钻场瓦斯抽采体积分数为6.22%～10.94%,井下回风巷及上隅角瓦斯浓度均低于阈值1%,有效保证了工作面的安全推进。实践表明微震监测技术可有效运用于...     

综采工作面卸压瓦斯运储区演化推进速度效应研究

为研究综采工作面不同推进速度下瓦斯运储区演化规律,基于煤矿工程概况,利用FLAC^3D模拟软件进行模拟,分析了覆岩采动推进速度效应;采用多种方法对卸压瓦斯运储区进行联合判别,得到不同推进速度条件下卸压瓦斯运储区分布及演化规律;以此为依据,优化现场高位抽采钻孔。结果表明：综采工作面煤层开采后,垂直应力分布大致呈对称梯形,推速加快,垂直应力分布转变为左高右低抛线形;采空区覆岩下沉量及塑性破坏高度随推速增加而减小;卸压瓦斯运储区高度随推进速度增加而降低,卸压瓦斯运储区位置向采空区中部集中;试验工作面卸压瓦斯抽采钻孔优化后,试验工作面高低推进速度区域抽采钻孔瓦斯体积分数最大均为30%以上,工作面、回风巷、上隅角瓦斯体积分数为0.18%～0.46%、0.2%～0.46%、0.25%～0.84%,均小于1%,布置方法更具合理性。     

保护层开采卸压瓦斯运移及抽采技术

为了降低采煤工作面瓦斯浓度,采用保护层开采的方式对煤层进行卸压,以山西常庄矿为试验矿井,通过数值模拟对保护层开采后煤层卸压以及瓦斯运移进行研究,根据卸压和瓦斯运移特征确定了瓦斯抽采钻孔技术参数,并对抽采效果进行了检验,研究结果表明:冒落带高度为4.8m,裂隙带高度为25.2m,两侧近煤层区域裂隙发育,为裂隙发育的聚集区,形成"裂隙河";当采宽不断增大时,卸压强度增大,煤层内部应力整体呈"W"型分布;被保护层卸压分为四个区:原始压力区、压力集中区、过渡区、完全卸压区;瓦斯抽放孔最佳参数:钻孔倾角不得大于70°,封孔长度为10m,钻孔间距为30m,孔口负压为12.2k Pa;卸压瓦斯抽采浓度较卸压前大幅提高,保护层开采对于被保护层卸压起到了作用。     

首采煤层顶底板围岩裂隙内瓦斯储集及卸压瓦斯抽采技术研究

低透性松软高瓦斯煤层群首采层开采过程中，顶低板岩层冒落、移动，产生裂隙，开采煤层和邻近卸压煤层内的瓦斯将大量卸压、解吸，卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到环形裂隙圈内，形成瓦斯积存库。本文将论述环形裂隙圈位置的确定方法，分析裂隙圈内瓦斯积存的过程，介绍将抽采钻孔和巷道布置在首采层的顶板环形裂隙圈内进行瓦斯抽采的技术和效果。     

倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术研究与工程实践

为了研究倾斜煤层条件下,采动覆岩裂隙分布规律与卸压瓦斯抽采技术,采用理论分析和数值模拟的方法,对采场覆岩应力、位移以及裂隙分布情况进行了分析,并依据研究结果,对试验工作面高位导流钻孔布置参数进行了优化设计。结果表明:工作面上端头顶板卸压区域范围大于下端头区域,关键层的卸压段靠近工作面上部,覆岩垮落破断后,工作面上部垮落岩体位移明显大于下部;裂隙网络中,下部冒落岩体裂隙处于相对闭合状态,沿工作面向上,裂隙开度逐渐增大;卸压瓦斯运移通道在倾斜方向上具有不对称性;沿工作面回风巷侧冒落带轮廓线布置高位导流钻孔,并配合相邻钻场之间的有效搭接抽采可使抽采效果保持稳定;单一钻孔全生命周期可分为远距离、有效和近距离抽采3个阶段,随着钻孔层位的增加,抽采效果逐渐变优,远距离抽采阶段长度减小,有效抽采阶段长度增加。实践结果表明,瓦斯抽采效果良好,验证了依据此方法布置高位导流钻孔的合理性。