沿空留巷开采覆岩裂隙演化规律及卸压瓦斯抽采技术

沿空留巷开采是我国煤炭可持续发展的重要方向之一,其采动覆岩卸压瓦斯运移储集区演化与传统开采方式有所不同。为进一步准确辨识沿空留巷开采覆岩卸压瓦斯运移储集区,通过数值模拟及物理相似材料模拟,研究了切顶侧与未切顶侧的裂隙特征,分析了采动覆岩裂隙动态发育过程及应变分布规律,提出了沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区位置判别方法,并进行了现场工程实践。研究结果表明:低位覆岩受切顶影响,易发生破断垮落;高位覆岩区域未切顶侧覆岩裂隙较为发育,切顶侧与非切顶侧裂隙发育高度相同。采动裂隙形态、覆岩应变形态均呈梯形,随覆岩周期破断,采动裂隙呈跃进态势向上发展。不同区域采动离层裂隙角度集中在0°~10°,竖向破断裂隙区角度主要集中在80°~120°。基于关键层判别、采动裂隙角度及数量、覆岩应变特征等,结合通风方式,提出沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区判定方法,将抽采钻孔布置在“采动裂隙锐角发育区+高瓦斯体积分数”区域,判定得出试验工作面抽采靶区为与煤层顶板垂距30~46m、与辅运巷平距30~55m的区域。试验工作面开采期间整体瓦斯抽采效果良好,说明基于沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区判定方法设计的抽采钻孔具有合理性,可为沿空留巷开采“Y”型通风方式下卸压瓦斯抽采钻孔设计提供一定参考。

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。

特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用

为研究特厚煤层开采卸压瓦斯储集区动态演化规律,采用3DEC数值模拟软件,分析了采动覆岩应力及位移分布规律,研究了卸压瓦斯储集区演化特征,提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法,并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。结果表明:特厚煤层开采后,覆岩垮落带高度49.5 m,裂隙带高度104 m。工作面侧卸压区范围内关键层失稳后,其下方形成卸压瓦斯储集区。卸压瓦斯储集区划分为3类:①关键层处于弯曲下沉带,其下方形成高位储集区;②关键层处于裂隙带,砌体梁下方形成中位储集区;③关键层处于垮落带,悬臂梁下方形成低位储集区。储集区形态及面积与其上方控制关键层状态密切相关,控制关键层破断前,面积持续上升,低位储集区形态呈矩形,中位和高位储集区形态呈半椭圆形,拓展至三维形态呈矩形截面环体和椭圆截面半椭球体;破断后面积快速下降,之后随覆岩来压呈现周期性变化,低位储集区形态呈梯形,中位储集区形态呈三角形,高位储集区形态呈半椭圆形,拓展至三维形态呈矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。现场将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围,进行了抽采验证,单孔最大抽采浓度34.5%,平均抽采浓度16.8%,抽采后上隅角瓦斯体积分数0.55%,瓦斯抽采效果良好,说明据此方法布置高位钻孔具有合理性。

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈"马鞍"状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。

综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析

为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应,运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法,开展不同采高(2,4,6 m)、不同推进速度(3,5,7 m/d)以及不同煤层倾角(0°,15°,30°)条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律研究,得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度以及煤层倾角变化的演化规律。结果表明:采空区覆岩"三带"高度随着工作面采高的增大、推进速度的减小以及煤层倾角的增大呈线性增大趋势。采空区上覆岩层离煤层顶板越远,其贯通度越小,并在达到一定高度后,出现迅速减小的现象。受更高层位岩层的挤压以及两侧煤壁的支撑作用,覆岩离层率呈现两侧高于中部的"马鞍形"。构建出以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增以及断裂带发育高度为依据的综采工作面覆岩压实区边界判定准则,得到不同开采条件下覆岩压实区整体发育形态,进而发现采高对压实区影响主要表现在高度方面,煤层倾角对压实区宽度和对称度的影响较大,推进速度对压实区的高度与宽度都有较为明显的影响。基于采动裂隙椭抛带理论,结合物理相似模拟试验结果,构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型,并结合工程实践,有效提高了现场瓦斯治理效果,保证了工作面的安全回采。

采动裂隙椭抛带时效诱导作用及卸压瓦斯抽采技术

为了研究在不同推进速度下覆岩裂隙的动态演化规律及形态特征,开展了物理相似模拟试验及理论分析研究。研究结果表明:随着工作面推进速度的增加,覆岩裂隙发育高度会逐渐减小,同时,压实区的范围会相对增大,主要表现为压实区宽度会随推进速度的增加而增加,即卸压瓦斯运移优势通道的范围随推进速度的增加而减小。在试验结果分析的基础上,建立了考虑推进速度影响的采动裂隙椭抛带数学表达方程,并对试验矿井综采工作面高位瓦斯抽采巷布置层位进行设计,现场试验结果验证了依据工作面推进速度设计的高抽巷层位的合理性,从而为高强度推进工作面卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供了一定的理论依据。

煤层倾角对仰斜工作面覆岩压实区裂隙演化规律的影响

为研究仰斜综采工作面采动覆岩压实区裂隙演化规律的煤层倾角效应,用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法,开展不同煤层倾角条件下采动覆岩压实区裂隙演化规律的研究,得到了压实区高度、垮落角以及宽度随煤层倾角变化的演化规律,进而建立了压实区演化煤层倾角效应模型。结果表明:随着煤层倾角的增大(0°<15°<30°),平均来压步距逐渐减小(12.5 m>11.6 m>10.4 m),采动覆岩离层量逐渐增加。同时,以采动覆岩离层量和底板应力为压实区边界判定依据,分析得出压实区高度随煤层倾角的增大而不断增大,且压实区高度变化趋势所拟合的直线斜率所组成的曲线随工作面推进距离的增加出现平缓、陡增、平缓的变化趋势,即压实区在形成初期高度相差不大,但会在工作面推进至55~65 m时高差迅速增大,且维持此较大高差直至工作面回采结束;随煤层倾角的增大,开切眼侧垮落角逐渐减小,而工作面侧垮落角逐渐增大;以压实区的高度和垮落角的演化规律为基础,建立了压实区空间简化模型,进一步得到压实区宽度随煤层倾角变化的数学表达式。最后,以采动裂隙椭抛带理论为基础,结合试验结果,建立了考虑煤层倾角的采动裂隙椭抛带压实区数学方程,为仰斜综采工作面准确定位卸压瓦斯储集优势区提供一定的理论依据。

特厚煤层综放开采瓦斯运储区演化及定向钻孔抽采技术

为解决特厚煤层综放开采工作面上隅角瓦斯超限的问题,采用物理相似模拟实验分析了典型高瓦斯特厚煤层的裂隙演化情况,同时,利用二维核密度估计方法研究了采场上方的瓦斯运储区分布规律,分析了钻孔抽采的最优层位,并进行现场工程应用。研究结果表明:采动覆岩的整体离层量呈开切眼侧高、工作面侧低的两峰分布,其中不规则垮落带高度为9.4 m,规则垮落带高度为38.0 m,裂隙带高度为158.0 m;瓦斯运储区呈动态的梯形分布,当推进至岩层发育稳定时,规则垮落带上部形成了明显的临时储集空间,该区域可作为瓦斯抽采优选层位,具体位置为距煤层顶板高10~40 m,距回风巷内5~40 m。试验周期内,上隅角瓦斯浓度出现了明显下降。

基于STL-EEMD-GA-SVR的采煤工作面瓦斯涌出量预测方法及应用

瓦斯涌出量准确预测可为矿井通风及瓦斯灾害防治措施提供重要依据。为提高采煤工作面瓦斯涌出量预测精度,根据陕西黄陵某矿采煤工作面绝对瓦斯涌出量监测数据,应用基于局部加权回归的周期趋势分解(Seasonal-Trend decomposition procedure based on Loess,STL),将监测数据分解成趋势项、周期项和不规则波动项;利用集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD),将不规则波动项分解得到不同特征尺度的IMFs(Intrinsic Mode Functions,IMFs)分量以及残差余量;通过遗传算法(Genetic Algorithms,GA)参数寻优后的支持向量回归机(Support Vector Regression,SVR),对各项分解数据进行预测;叠加各分量模型预测结果,得到最终瓦斯涌出量预测结果。结果表明:在预测集为247、147和70组3种情景下,对比分析了STL-EEMD-GA-SVR模型(简称SEGS)、EEMD-GA-SVR模型、GA-SVR模型和高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)模型的评价指标精度,其中,SEGS模型最优,拟合度R^(2)分别为0.81、0.92、0.99,峰值点平均相对误差最低,分别为3.15%、2.33%、1.04%。所构建的SEGS模型可以准确预测采煤工作面的瓦斯涌出量。

黄岩汇煤矿高位巷瓦斯抽采研究

结合黄岩汇煤矿所采15#煤层的实际状况,根据高位抽放巷抽放瓦斯原理,针对15#煤层15109工作面高位巷瓦斯抽放的布置和工艺参数设计,通过高位巷对瓦斯抽放效果和回风流瓦斯浓度影响分析,证实高位巷保证工作面安全回采,治理瓦斯超限有着重要作用。该研究为其他矿井采用高抽巷对煤矿瓦斯进行抽放有一定参考意义。

煤与瓦斯突出机理及预防手段

瓦斯是影响矿井安全生产的重要因素,瓦斯事故分为瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出,本文针对煤与瓦斯突出事故发生的特、机理进行分析,并提出相对应的瓦斯突出预防手段。

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。

稳压条件下煤体稳定特性钻孔倾角效应的试验研究

为研究不同钻孔倾角对煤体稳定特性的影响,应用三维全场应变测量分析系统(XTDIC)和声发射监测系统,开展稳压条件下无钻孔及钻孔倾角为0°,10°,20°,30°的型煤单轴压缩试验,分析了不同钻孔倾角试件强度特征、变形破裂特征及其对煤体稳定性的影响机理。结果表明:增大钻孔倾角对试件抗压强度、弹性模量有不同程度劣化作用,与无钻孔试件相比,劣化率最大达33.92%;根据试件加载过程中的声发射特征参数与加载时间的关系,将其划分为初始加载、稳压、峰前弹塑性和峰后应变软化4个阶段,随着钻孔倾角的增大,声发射计数与能量的增长速率逐渐减小;试件钻孔周围破坏形态呈偏"Y"状,30°倾角钻孔试件的损伤变量曲线出现明显台阶式递增现象;试件变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,随钻孔倾角增大,弹性应变能、耗散能、总能量、能量耗散率均减小;该研究指导了贵州某矿本煤层预抽钻孔布置,利用定向钻机尽可能保证钻孔轨迹为水平,钻孔稳定性较高,瓦斯抽采效果良好。

煤岩瓦斯固气耦合相似材料瓦斯吸附特性研究

为研究“固-气”耦合物理相似模拟试验中模拟煤层材料的瓦斯吸附问题,根据孔隙特征及吸附特征选择活性氧化铝、硅胶、硅藻土、高岭土、3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛作为吸附材料以及屯堡矿煤样为对比材料,采用WY-98A瓦斯吸附常数测定仪对以上材料开展瓦斯吸附量及吸附常数a,b值试验。试验结果表明,高岭土、硅藻土呈现先平缓后陡峭的等温线,不符合Langmuir单分子层吸附模型,不能作为吸附材料;活性氧化铝和硅胶与屯堡矿煤样的吸附量增量变化趋势相似并且屯堡矿煤样与其吸附量比值在0.6~2之间且比值变化趋于常数,因此吸附过程变化规律与屯堡矿煤样较为相似;且吸附常数a值较大,有作为吸附材料的可能性;3种分子筛吸附量增量变化趋势呈“W型”,分别在0.9,0.6,0.4 mL/g左右波动;屯堡矿煤样与其吸附量比值变化较大且不稳定,吸附过程变化规律与屯堡矿煤样相似度较低;吸附常数a值较小,不适合作为吸附材料;各种试验材料吸附常数b值均存在较大差异且都小于屯堡矿煤样。研究结果为“固-气”耦合物理相似模拟试验中具有瓦斯吸附性材料的选择及开展“固-气”耦合物理相似模拟试验提供了一定的实验基础。