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。      

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。     

确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的试验

卸压瓦斯抽采技术的关键在于根据采动裂隙场分布规律合理布置瓦斯抽采孔。针对富含水厚煤层大采高工作面快速推进,依据采动裂隙时空演化特征与瓦斯运移规律,在亭南煤矿实施了确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的工业试验。通过对不同层位钻孔抽采浓度统计分析,卸压抽采钻孔终孔布置在裂隙带离层区抽采效果最好,从而确定卸压瓦斯抽采钻孔的合理层位。      

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

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.     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

近距离下保护层开采覆岩运动相似模拟实验

运用相似材料模拟方法和数字散斑的测试原理,对平顶山十矿近距离下保护层开采进行模拟实验,研究保护层己18煤层开采后上覆岩层的移动规律和具有煤与瓦斯突出危险性的己15-16煤层的卸压效果。研究结果表明:己18煤层工作面开采后顶板垮落带高度约为8.2 m,裂隙带的高度约为29.7 m,且被保护层位于裂隙带的中下部;随着保护层工作面的不断开采,被保护层的垂直应力依次呈"V"型、"U"型和"W"型的应力分布,己_(15-16)煤层原始应力约下降了24%;被保护层己_(15-16)煤层的膨胀变形量为11.16‰~21.9‰。该实验为研究平顶山十矿近距离下保护层开采的卸压效果分析、覆岩移动规律和巷道布置等提供理论基础。     

巴彦高勒煤矿3-1煤层顶板垮落裂缝带发育特征

煤层顶板为高承压砂岩含水层,煤层开采过程中,为解决上覆砂岩含水层带来的顶板垮落及裂隙导水等安全问题,以鄂尔多斯盆地南部巴彦高勒矿井3-1煤层及顶板为研究对象,基于矿井地质、水文地质、开采技术条件及现场矿压显现特征,采用现场压力试验法和数值模拟法相结合,研究3-1煤顶板垮落裂缝带的发育特征,以及煤层在大采深、高矿压、高水压条件下的煤层覆岩运移特征及其主控因素。结果表明:数值模拟和现场压力试验结果基本一致,判断3-1煤开采后,顶板垮落带发育高度为38.7m,顶板垮落裂缝带最大高度为126m,裂采比为23.7。为煤矿预测煤层顶板裂隙带发育高度提供了一种新的方法。研究结果对内蒙古呼吉尔特矿区乃至周边相似地质条件矿区的安全开采和煤层顶板防、隔水煤柱的留设提供测试方法和参考依据。     

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。     

Water inrush and environmental impact of shallow seam mining

Shallow seam mining is very common in China for enhancing coal recovery. However, this may cause a series of severe problems in environment and mining safety in some cases, because the alluvium aquifers are directly above the shallow coal seams. Some typical water and sand inrush incidents resulting from shallow mining in China are analyzed. Based on in-situ observation, the mining-induced strata failures are investigated. The height of the fractured zone decreases as the size of the outcrop pillar or mining depth decreases. The spatial distributions of the failure zones in the shallow mining have specific features compared to the deep mining. These provide an advantageous condition for the shallow mining under alluvial aquifers. Optimal designs for outcrop pillar sizes are also given in different hydrogeological conditions for environment friendly and production-safe mining at shallow depths. According to in-situ mining experiments in several coalfields, technical measures for shallow mining are presented. These primarily include the lift mining for thick seams and reduction of the thickness of extraction in the first lift, short-wall mining, and detection of faults and other potential hazards prior to mining.     

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征,揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明,煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝),动态裂缝在开采后能够实现自修复,工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重,其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后,基岩垮落角为60°,土层垮落角为65°,边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采,煤柱叠置、错距20、40 m时,区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m,地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式,能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度,据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。      

Pressure-Relief Mining of the Working Face Under the Coal Pillar in the Close Distance Coal Seams

Intensive strata behaviors are generated when the No. 8707 working face of the 8# coal seam in a coal mine is advanced by way of the pillars left over of the upper part of 7# close distance coal seam. The theoretical analysis, numerical simulation and filed measurement were utilized to obtain the rule of the stress change when the 8707 working face of the 8# coal seam passes the pillars left over of the 7# coal seam. Meanwhile, a pressure-relief mining (PRM) technology was put forward. According to the research results, when the 8707 working face in the 8# coal seam was advanced to the position that was 20 m in front of the pillar left over, the abutment pressure reached the maximum for 26 MPa and the stress concentration factor was 3.25, which was likely to give rise to the rock burst. With the advance of the working face, the abutment pressure was reduced slowly. As the 8707 working face advanced 15 m away the pillar left over, the transfixed shear failure region of 45° was found in the bedrocks of the upper and lower coal seams, which was readily to give rise to the shear rupture, leading to the rock burst. Based on the aforementioned research, this research carried out the PRM by applying the hydraulic fracturing technology on the coal roof and pillar, which can ensure the safety and efficient mining of working faces.     

宁武煤田朔南矿区5、6号煤层沉积环境及对比研究

宁武煤田朔南矿区5号、6号煤层位于太原组上段,5号煤厚0～3．20m,6号煤厚0～2.94m,均属局部可采煤层,在实际工作中往往难以区分对比。通过对矿区含煤地层及煤层顶板砂岩K2、K3、K4沉积环境的研究,认为5号煤层形成于三角洲水下分流河道之间的泛滥盆地,6号煤层形成于三角洲前缘河口砂坝基础上发育的潮坪环境,属于三角洲平原水下沉积体系的两个不同旋回。运用岩性标志,物性参数及煤质特征可有效区分5、6号煤层,并进行追踪对比,为进一步勘探和煤矿开采提供了资料。     

Numerical simulation on tendency mining fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth

In order to master the tendency mining-fracture-evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth in mining process, the 1221 working face in Zhao mine is selected as the engineering background and a mathematical model is established. The displacement variation, stress and strain of overlying strata and coal seams are simulated by using ANSYS software. In the mining process, the movement characteristics, displacement variation laws and fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth along inclination direction are discussed. Simulation results show that with the advance of working face, the fracture development of overlying strata and coal seams is larger and larger; the area of gob is gradually expanding and the transverse stress of overlying strata and coal seams is also expanding. Stress contour of overlying strata and coal seams at both ends of gob becomes denser and denser; the activity of the overlying strata and coal seams near the up-roadway side of the gob is violent. The pressure relief zone is formed in the upper part of the strata and the roof above the gob. Large inclination angle of coal seam results in larger supporting pressure in the underside of the gob and smaller supporting pressure in the upper side of the gob. Along the inclination direction of the working face, the pressure relief zone is mainly concentrated in the outlet roadway of the working face; the fracture development and strata separation are obvious, which offer good passage for gas flow and migration.     

泾河下综放开采隔离煤柱对覆岩破坏控制作用的物理模拟

根据地质资料,分析了下沟煤矿泾河下特厚煤层大面积综放开采的地质特点,为实现水体下安全回采,确定了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方案。通过相似材料模拟试验,分析了改本区地质条件下各综放工作面间留设一定宽度隔离煤柱对覆岩破坏的影响。研究证实,隔离煤柱对覆岩破坏起到有效的控制作用。根据试验得出的单工作面最大裂采比,通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。且研究成果成功指导了5个工作面安全回采,可为该区及类似条件其他矿井的开采提供参考     

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。     

Inclination effect of coal mine strata on the stability of loess land slope under the condition of underground mining

Natural Hazards - The coal seam mining-induced characteristics of overlying strata fracture and surface subsidence are tested and numerically analyzed using the similar materials. Two mining models...     

基于煤岩层与断层空间关系的防隔水煤岩柱优化计算

近断层煤层开采时,防隔水煤岩柱的正确留设是防止断层突水事故的重要措施。山东济宁三号煤矿123_上01(南)工作面西邻的F8断层落差较大,可能会沟通底部奥陶系灰岩(简称奥灰)含水层,为确保工作面安全回采,需要进行F8断层防隔水煤岩柱尺寸计算。考虑煤岩层真实产状、断层面与煤层产状的空间关系和底板承压水威胁,对《煤矿防治水细则》中断层导水条件下的防隔水煤岩柱尺寸计算方式进行改进,推导出水位到安全防隔水煤岩柱宽度(H_a)在断层面垂足处的水头高度计算公式及改进后的断层防隔水煤岩柱尺寸计算公式。对比计算结果发现:《煤矿防治水细则》原有计算公式在将煤岩层理想化为水平岩层,且取偏小的煤层底板水压值计算的情况下,计算出的F8断层煤岩柱尺寸为112 m,改进公式的计算结果为128.5 m。因改进公式考虑了实际煤岩层产状及与断层面空间关系,且水压取值位置准确,计算结果更为精确,将为矿井安全回采提供更为科学的参考依据。