淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署

以保护层卸压开采和卸压瓦斯地面井抽采工程实践取得的大量资料为基础,结合采区上覆岩层变形变位检测和煤岩层力学性质实验室测试结果,总结了煤与煤层气开采地质条件,讨论了确定保护层开采有效卸压范围的方法,得到了淮南矿区保护层开采有效卸压范围的结果,分析了其对卸压瓦斯地面井部署的影响,提出了淮南矿区卸压瓦斯地面井部署的建议。研究结果表明：淮南矿区11-2保护层的最大有效保护距离为117 m,11-2保护层的开采对13-1被保护层的保护是有效的;走向有效卸压保护角为64°,倾向有效卸压保护角下方为77°、上方为83°,被保护层的卸压范围相对于保护层下部内错15.4 m,上部内错8.2 m;地面井应部署在走向上距始采线37 m外,倾向上靠近回风巷13～30 m之间的位置。研究结果对实现煤层气高效、持续、稳定的抽采和煤与煤层气共采意义重大。     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

深部强冲击地压易发矿区厚煤层开采解放层卸压效果数值模拟

为研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果。采用数值模拟方法,分析不开采解放层,开采下解放层,开采上、下解放层条件下,被解放层的应力变化情况及应力变化规律,计算开采下解放层后的合理卸压角,确定解放层平巷位置。模拟结果表明开采上、下解放层后,应力明显减小,但仍存在高应力区,易发生冲击地压,必要条件下应采用其它辅助卸压方式。证明了煤壁前方应力增加区域一般在煤壁前方8～25m。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有一定的现实意义。     

我国深部煤与瓦斯共采战略思考

高地应力、高瓦斯压力和低煤层透气性等因素严重制约着我国深部煤炭开采,且随着深部煤层开采条件逐步恶化,本煤层瓦斯治理难度凸显,通过保护层卸压开采的方式治理瓦斯和消除煤与瓦斯突出可达到事半功倍的效果。为了满足实际工程的需求,综述近年来我国在保护层开采技术、被保护层应力特性变化规律、裂隙系统演化规律、渗透率演化规律及被保护层卸压瓦斯抽采技术等方面的研究工作,总结并探讨了保护层卸压开采研究的不足,发现对处于弯曲下沉带内的超远距离上被保护层煤体卸压效果的关注较少,未能满足实际工程需求,根据保护层卸压开采期间超远距离上被保护层煤体变形特征及其横向裂隙开启和闭合特征,提出了保护层卸压开采的“时间窗口期”这一概念,同时指出,建立保护层开采与被保护层瓦斯流动特性演化的时空关系,构建瓦斯抽采“时间窗口期”判识模型,建立保护层卸压开采和超远距离上被保护层瓦斯治理时空协同模式是今后治理超远距离被保护层卸压瓦斯的重要方向。最后提出采用定向长距离钻孔抽采上被保护层卸压瓦斯的方法,并在河南平顶山矿区实践验证了其抽采效果。

     

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

特厚煤层区段防水煤柱稳定性评价及保护技术研究

留设合理宽度的区段煤柱是确保特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。为确保芦子沟煤矿3107特厚煤层综放工作面仰斜开采过程中,双侧采空煤柱能够稳定承载并有效隔水,分析区段煤柱覆岩结构特征,建立区段煤柱应力计算模型,理论计算了双侧采空煤柱应力,结合数值模拟及理论分析手段对煤柱稳定性进行综合评价。通过实施科学合理的深孔爆破切缝卸压方案,降低了3107工作面采动应力对煤柱的影响,优化了煤柱应力环境,提高了煤柱稳定性,保证了3107工作面的安全回采。研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定及坚硬顶板条件下煤柱卸压具有一定意义。     

四维地球物理技术在煤炭开采影响分析中的应用

正能源是国家经济建设与发展的基础,尽管目前中国处于能源转型阶段,但煤炭仍是中国的主要生产及消费能源。随着全球气候的变化,资源与环境的协调发展成为人们关注的焦点(钱鸣高等,2007)。对于可持续地下水资源利用、生态环境保护和煤矿绿色开采,研究煤矿开采引起的地下水变化和上覆岩层发育情况具有重要意义(范立民,2015;顾大钊,2016)。自然条件下,上覆岩层处于动态平衡状态,煤层采动后,采空区上覆岩层的应力平衡状态被打     

乌海伊临220kV高压输电线50号塔基地下采空区的稳定性分析

地下煤层开采由于采空范围大常常引起上覆岩体失稳.本文以伊临220KV输电线路经过的小煤窑开采区为例,通过对煤层开采引起的位移、张应力区、屈服区和应力重新分布的计算分析,指明了地表开裂和下沉的原因以及对工程的危害.     

极近距离老空水下薄煤层联合开采探测研究

赵坡煤矿四采区下山部分12、14层煤已回采结束,致使采空区内储存了大量的老空水,对下部16、17层煤的开采带来极大的威胁。为此,用特制的观测系统进行了现场实测和数值模拟试验,根据试验结果,同时引入点安全度的概念,研究了16、17层煤联合布置开采所造成的覆岩导水裂隙带(特别是微小裂隙带)发育高度和12、14两层煤联合开采对底板的采动破坏深度,分析了近距离老空水下16、17薄煤层联合开采的安全性,为赵坡煤矿及其他类似情况下的矿井的安全生产提供了科学依据。     

浅埋采空区大采高条件下覆岩破坏规律

浅埋采空区下远距离煤层开采覆岩破坏直接影响本煤层工作面安全开采和上覆采空区稳定性。针对神东矿区大柳塔煤矿开采实际,采用相似模拟试验、数值计算和现场实测方法研究了2-2煤采空区下伏的5-2煤层开采覆岩运动及裂隙发育规律。研究结果表明,大柳塔煤矿5-2煤层一次采全高开采,覆岩裂隙带贯穿层间岩层导通2-2煤采空区,层间岩层的破断会诱发上覆岩层大面积垮落,工作面出现强烈的矿压显现,同时加剧了上覆采空区围岩结构失稳及地表沉陷。现场实测也表明大柳塔煤矿5-2煤层大采高开采覆岩破坏高度137. 32 m,裂采比20. 2,与模拟结果一致。这些成果可以为大柳塔矿5-2煤层工作面安全开采提供理论依据。     

深部采动覆岩移动变形致灾的试验分析

针对深部开采条件下覆岩移动变形引起的安全问题,采用理论分析、相似材料模拟试验结合的方法,通过监测相似材料模拟深部煤炭开采过程中覆岩位移、应力变化情况及覆岩的断裂破坏、弯曲和移动变形的过程,对比分析了采场覆岩体的移动变形、应力场演化过程和采动应力的影响区域.试验结果表明:在深部倾斜煤层开采过程中,沿着采煤工作面形成了应力升高区、应力降低区和原岩应力区;对孤岛工作面进行开采时,新旧采空区容易因上覆岩层的垮落塌陷连通成整体,极易发生矿井动力灾害;布置孤岛工作面的巷道位置时建议考虑布置在采空区的应力降低区内,并且煤柱宽度不应大于10 ～ 12m,最佳选择为6～8m.     

山区厚硬覆岩条件下采动损害特征

本文以四川杉木树矿山区开采试验研究为例，分析了采场上方有厚硬岩层时的采动损害特征．指出覆岩内部组合结构暨托板控制作用在煤矿工程地质与水文地质研究中具有不可忽视的作用．     

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

煤矿区卸压瓦斯地面井破坏机理研究

卸压瓦斯地面井抽采是矿区瓦斯治理的新方向,但受煤层采动影响,在工作面推过地面井一定位置后井孔迅速发生破坏,制约了其发展与应用推广。以淮南矿区抽采井变形破坏工程调查为基础,从工程地质学和采动岩体力学出发,探讨了矿区地质条件和煤层采动背景与抽采井变形破坏的关系。认为变形和错断是井身结构破坏的主要形式,该区地面卸压抽采井采动变形破坏具有时间快速性、空间集中性、破坏层位的层控性和破坏位置的岩性特殊性等四大特点。研究表明:卸压瓦斯抽采钻井的变形错断是在采动条件下,关键层诱导覆岩周期断裂致使覆岩移动,松散层中的特殊岩性层位或基岩段岩层的弯曲或断裂诱发的水平剪切破坏与岩层弯曲下沉引发垂向拉压综合作用的结果,并以前一种为主,而非单一剪断或拉断模式。另外,结合相似模拟实验结果分析,研究了开采条件下不同位置不同岩性地层的位移情况,证实了研究结论与观点,揭示了卸压瓦斯地面井井孔变形破坏机理。     

上行开采缓倾斜煤层群围岩稳定性分析

为了研究缓倾斜煤层群下覆煤层开采时层间岩层的破坏规律以及影响上覆煤层开采的安全因素,采用相似材料实验建立两槽缓倾斜煤层上行开采平台。观测下覆煤层开采过程中采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况,利用位移传感器采集到的上覆煤层下沉数据分析其整体稳定性并记录上覆煤层顶板周期来压步距。采用FLAC3D软件建立模型进行数值模拟对比验证分析,找出下覆煤层工作面推进距离与上覆岩层活动规律的关系以及采空区影响下上覆煤层的纵向位移。结果表明:下覆煤层顶板冒落岩梁排列整齐,碎胀系数小,无法完全填充采空区,使岩层上部产生离层和裂隙,冒落下来的岩梁发生折断并形成稳定结构,上行开采引起上覆岩层的纵向变形与破坏,产生大量采动裂隙,表现为上覆煤层发生台阶错动最终形成一个沉陷区域,周围岩层向区域中心倾斜,影响上覆煤层顶板稳定性。由相似材料实验与数值模拟得到上覆煤层监测点下沉情况对比现场具有较好的吻合性,验证了实验模拟的正确。所得结论也可为相关问题提供有益的借鉴与参考。     

考虑层间剪应力作用的煤矿岩层控制理论探讨

目前已被广泛应用的煤矿开采的关键层理论对煤矿岩层控制提供了重要理论依据,并合理解释了煤矿开采矿压显现现象。该理论认为煤矿开采引起的岩层破断、失稳后形成的铰接结构控制了覆岩的运移规律,但其忽略了层与层之间剪应力对覆岩破断运移规律的影响。基于岩层间存在剪应力这一假设,建立了覆岩组合梁力学模型,获得了非均质组合梁剪应力理论解;提出了考虑层间剪应力的关键层判断步骤,并修正了煤矿开采关键层破断距的计算公式;研究认为关键层控制的上覆岩层并不一定同时随其破断;基于双层岩层开采模型,分析提出了柔性控制层概念：即关键层破断后起到类似关键层作用而控制上覆一层或几层岩层变形的一类岩层;进一步提出了柔性控制层的判别方式,探讨了柔性控制层对关键层复合破断和矿压显现规律的影响,分析认为柔性控制层的存在一定程度上减弱了周期来压强度并产生二次伴随来压现象;结合工程案例,验证了该假设的合理性。     

煤炭条带式充填开采采场覆岩运动演化规律

充填开采是一项方兴未艾的煤炭开采技术,它可有效控制采场覆岩运动而减轻开采衍生灾害。为了探究技术和经济可行的充填开采技术,利用数值方法计算分析了多工况下的条带式充填开采采场覆岩运动规律。结果表明,条带式充填开采可有效控制岩层移动和应力分布,形成稳定且半径较小的应力拱,使冒落带发育高度缩小,有效减轻岩层破坏程度,限制开采扰动对覆岩的影响范围。另外,充填条带间距是控制充填效果的重要影响因素。根据文中设置的开采和充填条件,充填条带宽度和间距约为1:1时,充填开采可实现技术上可行且经济的效果。     

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。