基于开采高度对工作面覆岩裂隙演化影响的钻孔瓦斯抽采研究

采动覆岩裂隙演化规律对层间瓦斯运移起主导作用,研究覆岩裂隙发育分布规律对于提高瓦斯抽采效率至关重要。以甘肃省魏家地矿西2107综采工作面为工程背景,采用UDEC模拟软件建立不同采高的数值模型,利用分形几何理论分析了工作面覆岩近场裂隙演化与不同开采高度的关系,确定了钻孔瓦斯抽采最优工作面高度,并通过理论经验公式、覆岩裂隙窥视情况与现场瓦斯抽采结果对其验证。结果表明:采动裂隙总数随着采高增大而增大,但不同阶段增大的幅度皆不相同,覆岩裂隙不断向覆岩四周呈“伞状”发育;不同开采高度的工作面覆岩近场裂隙均经历产生、扩张贯通、压实稳定的3个阶段,且采高越大,压实区范围越小,适当增加采高,有助于提高覆岩瓦斯抽采效果;当采高选择4 m时,顶板裂隙在位于10 m与40 m位置处的裂隙发育密度与范围均明显大于其他区域,该区域与布置高、低巷双位一体的协同抽采巷最佳位置相一致。

深部放顶煤开采下煤层应力场-渗流场耦合演化特征

为了研究高应力区煤体在放顶煤开采方式下的应力场-渗流场的耦合演化规律,以横观各向同性下的火柴棍模型为基础,构建了由煤基质和裂隙组成的弹性系统,建立了三向应力条件下煤体渗透率演化规律模型,并结合采场应力场空间分布规律,构建煤层增透率空间分布模型。在改变围压、轴压和气体压力的条件下,将渗透率模型和室内试验结果对比,并将增透率空间分布模型与顺层抽采钻场的瓦斯抽采相关数据对比分析,结果表明:煤体渗透率随载荷与气体压力的增加而减小,并呈指数型;渗透率模型可以较好地定量描述煤体渗透率在加卸载条件下的变化,与多组试验数据的相关系数和拟合优度均大于0.9;增透率空间分布随距离增大呈指数下降,可分成4个阶段:原岩稳定阶段、增压降低阶段、卸压增加阶段、破坏稳定阶段;根据增透率模型和现场数据对比,煤层在卸压增加阶段和破坏稳定阶段处于增透状态,煤层增透范围Lr=55.62 m;煤层增透率模型可以较好地描述煤层增透率的空间分布规律,其与现场数据的相关系数和拟合优度均大于0.96。

深部储层岩石渗流的滑脱效应研究——以煤和砂岩为例

深部高应力作用下致密储层岩石因其孔径与气体分子平均自由程相当,会诱发气体的滑脱效应,进而对瓦斯(煤层气)长期稳产产生重要影响。基于此,开展深部高应力作用下煤和砂岩的氦气注入试验。研究结果表明:在全抽采周期,高应力煤体中氦气运移始终表现出显著的滑脱效应,即使在高达8 MPa的储层压力下也不可避免,砂岩渗流则基本上不受滑脱效应影响。相较于线性Klinkenberg方程和二次型Klinkenberg修正方程,双滑移Klinkenberg方程更适用于深部高应力煤体的表观渗透率ka修正,进而得到煤体固有渗透率k_(∞)与有效平均应力σ_(vme)之间满足线性关系,这是由高应力状态下煤体内结构异质性减弱、均质性增强所致。均质性砂岩的渗流行为表现为线性力学响应特性,证明了煤体滑脱效应修正的合理性。由于深部煤体k_(∞)随σ_(vme)呈线性弱衰减规律,导致应力型渗透率在应力加载作用下略有降低,最终表现为滑脱效应随着σ_(vme)增加而减弱的反常现象。以双胡克定律为理论基础,建立综合考虑高应力煤体裂隙开度呈线性变化和滑脱型渗透率呈指数衰减规律的渗透率模型,并在不同边界条件下取得了良好的拟合效果。

基于PSO-AHP算法的三向应力条件下巷道布置优化及应用

在三向应力条件下,通过调整巷道轴向与最大主应力间的夹角,可降低高应力对围岩稳定性的影响。采用理论分析、现场试验等研究方法,提出了三向应力下巷道合理布置的PSO-AHP优化耦合算法,确定了最有利于巷道围岩稳定的布置参数,并在魏家地1104工作面运输巷进行了工程应用。研究结果表明:巷道布置参数倾角α与方位角β影响巷道围岩偏应力S1分布,不同布置参数α,β下巷道围岩S1分布不同。巷道围岩对α,β变化的敏感度存在差异,通过改变巷道围岩敏感度更高的参数,可减小围岩偏应力,提高围岩稳定性。PSO-AHP优化算法以偏应力为指标,首先通过计算巷道不同部位的优化布置参数,然后建立判断矩阵与评价函数来确定巷道最优布置参数。在魏家地1104工作面运输巷进行了应用,巷道采用PSO-AHP优化算法得到的最优参数进行布置,巷道围岩不同深度处的平均偏应力降低系数均小于1。与原布置方案相比,最优布置参数下巷道围岩偏应力总体减小,最大偏应力位置转移。通过调整巷道布置方案,提出了非对称支护形式,现场应用效果良好。