倾斜厚煤层综放工作面伪斜长度与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究

倾角煤层的开采,常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动,并为机头机位提供更多作业空间,但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化,导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题,应用Fluent数值模拟软件,分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律,确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律,应用Fluent数值模拟软件,在伪斜长度分别为20、25、30、35 m条件下对“U”型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现:伪斜长度在一定程度上影响采空区内的风流,使得采空区内风流紊乱,瓦斯局部地区集聚严重,进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明:工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有显影响,随着伪斜长度的增加,采空区内风流发生提前转向,导致采空区瓦斯提前向工作面涌出,瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移,上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后,试验工作面在伪斜长度25 m左右时,上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内,工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测结果吻合,得到最优伪斜长度为25 m。

卸压瓦斯运移区“孔-巷”协同抽采布置参数优化及高效抽采

高突矿井瓦斯抽采是治理工作面隅角瓦斯超限的重要手段,各抽采方式布置层位不同,其抽采效果存在明显差异,研究协同抽采各抽采方式的最优布置层位具有重要意义。为提高高抽巷抽采效率实现瓦斯精准抽采,基于“椭抛带”理论,运用Fluent数值模拟软件对协同抽采各抽采方式的布置层位进行模拟研究,分析各布置条件下工作面隅角瓦斯浓度,确定最优布置层位。模拟结果表明协同抽采中各抽采方式布置层位为:高抽巷最优平距25 m,最优垂距30 m,定向长钻孔最优平距在10~20 m,最优垂距在11~21 m。通过对单一抽采与协同抽采进行对比分析,协同抽采中回风侧快速提升区跨度明显增大,使得回风侧经上隅角涌入工作面的瓦斯强度降低,隅角瓦斯得到进一步控制。协同抽采较好解决了工作面回风侧风流引起的相对负压造成上隅角瓦斯大量聚集的问题,隅角涡流所引起的瓦斯聚集现象在长钻孔抽采下逐步消失。优化后的布置参数进行现场应用后,试验工作面在生产期间高抽巷平均抽采纯量为64.79 m^(3)/min,占瓦斯涌出量的79.91%,定向长钻孔平均抽采纯量为9.68 m^(3)/min,减小了风排瓦斯的压力,上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内,试验工作面瓦斯超限问题得到有效治理,保证了生产工作安全高效进行。

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的“固-气”耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展“固-气”耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及“固-气”耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。

倾斜煤层综放工作面覆岩“两带”发育高度研究

基于采空区上覆岩层裂隙发育对合理确定高位钻孔抽采区域的重要性,对兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿采空区上覆岩层裂隙发育规律采用多种方法进行分析。以相似理论为基础,采用物理相似模拟方法研究了采场覆岩“两带”(垮落带、裂缝带)分布特征,通过分析覆岩下沉量变化规律,得出“两带”高度;利用UDEC数值模拟软件模拟随着工作面推进覆岩垮落情况,得出模拟结果;综合两种方法得出,(4-5)04工作面覆岩垮落带高度为21.3~25.0 m,为平均煤层厚度的3.46~4.07倍。利用钻孔窥视法在工作面进行实测,验证垮落带高度为22 m,满足垮落带高度与采高倍数关系。