浅埋深综放工作面采空区“三带”分布研究

为研究浅埋深综放工作面采空区“三带”分布规律,在串草圪旦煤矿6101综放工作面采空区埋设束管,对采空区“三带”进行了现场实测。实测结果表明:由于煤层埋深浅、地表起伏大、进风侧存在地表漏风,进风侧采空区“三带”明显滞后于回风侧,进回风两侧氧化带宽度分别为87.8 m和61.4 m。利用FLUENT软件对实测条件下该工作面采空区“三带”进行了数值模拟,模拟结果和现场实测结果基本一致。同时模拟了不漏风条件下该工作面采空区“三带”分布,此时采空区散热带、氧化带范围大幅度减小,进风侧采空区氧化带稍大,而工作面中部和回风侧“三带”分布基本一致。

基于变分模态分解的采空区“三带”微震信号能量衰减规律

为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针对采空区微震信号在VMD下各模态分量中心频率与能量之间的关系展开分析。根据中心频率法确定微震信号最佳模态数量,并计算微震信号欠分解状态、最佳分解状态、过分解状态下各分量能量;对各震源下信号最佳分解状态时各模态分量能量与中心频率分布关系进行拟合,分析在“三带”结构中,微震信号不同传播状态下各结构层对信号能量影响作用。研究结果表明:(1)在VMD过程中,人工激发震动信号有效模态数量在6~11范围内,微震信号能量随模态数量变化明显。(2)采用幂函数可实现对微震信号模态能量与频率关系的拟合,且拟合状态良好(决定系数大于0.9),其中低频模态分量包含能量占信号总能量近50%;采用高斯函数可以拟合震源各分量能量在频域上的分布表现,拟合状态较好,且表现出高斯单峰特征。(3)微震信号穿越采空区“三带”结构,微震信号能量随震源位置与传感器距离增加而减小,同时信号能量随震源位置到达传感器穿越岩层数量增加而减小,信号能量在经由垮落带时,能量变化明显,相较于裂隙带和弯曲下沉带,垮落带对信号能量衰减作用明显。

不同通风方式下“110工法”采空区自燃“三带”数值模拟研究

为探究不同通风方式下“110工法”采空区自燃“三带”分布特征,以顾北矿1532(1)工作面“两进一回”通风方式为工程背景,基于风流控制方程、浓度组分方程和能量方程等,利用Fluent数值模拟方法建立煤自然发火多物理场耦合数值模型、工作面实时动态推进模型,模拟了3种通风方式下“110工法”采空区自燃“三带”分布特征。结果表明:随着工作面不断推进,在通风方式1(机巷侧和沿空留巷进风,回风巷回风)和通风方式2(机巷侧和回风巷进风,沿空留巷回风)条件下,采空区氧化自燃带均匀分布在运输巷侧、工作面中部和留巷侧,其氧气体积分数分布形状相差不大,采空区温度首先升高,开采约50 d后,最高温度出现在运输巷侧深部,且该位置温度不随工作面继续推进而升高;在通风方式3(沿空留巷和回风巷进风,机巷侧回风)条件下,采空区留巷侧氧化自燃带变宽2~4倍,工作面中部和运输巷侧明显变窄,采空区运输巷侧氧气体积分数较低,留巷侧氧气体积分数较高,漏风量明显增大。采空区高温位置主要出现在1532(1)工作面始采线留巷侧,且当工作面开采50 d后,此处采空区温度最高。综上所述并结合现场实际情况,对氧化自燃带宽度及位置进行分析,最终确定通风方式3更有利于防止煤自燃的发生,对矿井煤自燃的预防提供了理论指导。

倾斜煤层覆岩运移规律及“上三带”高度计算

为分析常村煤矿倾斜煤层覆岩运移规律及“上三带”高度,基于1501综采工作面地质条件,采用理论经验公式对垮落带和导水裂隙带进行计算,利用UDEC数值模拟对采空区煤层顶板覆岩最大主应力分布、覆岩位移和垂向应力分布进行模拟计算,并在工作面设置11条测线,分析不同位置、不同高度覆岩下沉值,通过对比分析,得出“上三带”高度。结果表明:经验公式计算1501综采工作面垮落带范围11.5~26.0 m,导水裂隙带范围42.4~77.0 m;随着工作面宽度的增加,应力集中程度也增加,覆岩位移呈不对称形态。最后在工作面合适位置设计探查钻孔对“上三带”进行探查,结果证实经验公式计算、数值模拟结论与钻探探查成果基本吻合,可以作为工作面安全回采的论证依据。

基于OFDR的采动覆岩铰接结构回转角度及“三带”变形表征研究

为了研究陕北某矿采动覆岩结构的光纤应变表征方法,基于12217工作面工程地质条件,分析了OFDR(光频域反射技术)的应变监测原理,在采动覆岩运动状态分区和分布式光纤应变监测原理基础上,建立了水平光纤应变表征采动覆岩铰接结构回转角度的力学分析模型,推导出应变峰值宽度与岩层破断后所形成采动覆岩铰接结构回转角度的函数关系,定义了铰接结构回转临界角度的概念,提出了基于光纤应变特性和采动覆岩铰接结构回转角度的覆岩“三带”划分判据,并采用光纤应变表征方法对采动覆岩应变特征进行分析。结果表明:采动覆岩“三带”的不同变形程度与铰接结构回转角度的大小呈正比例关系,因此通过铰接结构回转角度划分“三带”范围是可行的;通过水平光纤应变峰值特性计算铰接结构回转角度,与二维物理相似模型试验的近景摄影测量角度相比,两者平均误差小于1°,验证了提出的光纤应变表征采动覆岩铰接结构回转角度的力学模型有效性。二维物理相似模型得到的垮落带高度和裂隙带高度与该工作面现场结果一致,与理论计算数值吻合,符合该矿实际情况。研究结果为分布式光纤监测技术表征采动覆岩变形特征的应用提供了新的研究思路。

朱集西煤矿自燃“三带”分布及注氮参数研究

为了研究朱集西煤矿11503综采工作面采空区自燃“三带”分布规律,在进、回风巷侧埋设束管对采空区内部氧气浓度变化规律进行现场实测,并采用数值模拟的方法研究不同注氮流量下自燃“三带”分布变化规律,确定合理的注氮流量。研究表明:增加注氮流量,采空区氧化带的分布范围和宽度会减小,当注氮流量增加至900 m^(3)/h以上时对减小氧化带宽度效果甚微,据此确定了合理的注氮流量900 m^(3)/h;通过计算得到11503工作面安全通风量为222 m^(3)/min。研究结果为该工作面的后续防灭火工作提供参考。

基于PFC-CFD的采空区自燃“三带”预测

采空区遗煤自燃是导致煤矿火灾的主要原因之一,且多数发生于采空区自燃“三带”的氧化带中。为更准确地预测划分采空区自燃“三带”、预防矿井火灾,提出了PFC-CFD采空区流场演化模型。首先利用PFC颗粒流模拟软件模拟采空区覆岩的垮落和空隙率分布,然后使用UDF函数将PFC模拟得到的空隙率分布数据导入CFD中,通过建立采空区物理模型对采空区内的氧气流场进行模拟预测,最终得到采空区自燃“三带”范围。现场实测表明,基于PFC-CFD的采空区自燃“三带”预测结果更接近现场实际,优于单一CFD方法的预测结果,表明利用空隙率动态演化分析采空区流场变化,进而预测遗煤自燃危险区域的方法是可靠的,对预防采空区自然发火具有一定理论指导和实际应用意义。

煤矿采空区覆岩“三带”智能识别方法

为了探明煤矿采空区覆岩破坏类型与裂隙发育情况,快速准确划分采空区覆岩弯曲带、断裂带、垮落带(简称“三带”),提出智能识别方法,为制定采空区治理方案提供依据。以山东某矿区采空区为例,采用贝叶斯在线变化点检测(Bayesian Online Changepoint Detection,BOCD)算法对钻进过程中的冲洗液漏失量和钻速数据在煤矿采空区“三带”界限处的变化及响应特征进行分析。以勘察规范中有关“三带”高度计算经验公式作为约束条件,对冲洗液漏失量和钻速数据中的候选变化点进行检测、优选,进而确定煤矿采空区“三带”界限深度。智能识别的结果与实际值吻合,其中,弯曲带下限、断裂带下限、垮落带下限的深度误差分别为+0.67、+0.31和+0.52m,弯曲带、断裂带和垮落带的高度误差分别为+0.14%、-0.63%和+2.49%。基于钻进数据的采空区覆岩“三带”智能识别方法精度满足设计需要,切实可行。该方法将钻进数据与经验公式相结合,在钻进过程中即可完成“三带”界限的划分,充分发挥数据的时效性,避免了技术人员主观判断对识别结果产生影响。相较于依靠多种方式综合确定“三带”界限的传统方法,该智能识别方法显著提高了“三带”划分的时效性和准确性。

葫芦素煤矿上覆岩体运移规律及“上三带”发育高度

为研究大采宽条件上覆岩体运移与离层空间发育规律及“上三带”的关系,以内蒙葫芦素煤矿21406工作面与21101工作面为研究对象。采用多种方法如理论预测、建立模型进行数值模拟、钻探取芯观测岩性与裂隙发育、注水测量漏失量与窥视等方法研究了回采面开采后上覆岩层移动与变形规律与“上三带”发育关系。21406工作面位移呈“中间大、两边小”的分布态势,其运动速度先增加后减小,并在推过钻孔138 m处取得极大值;工作面推过138~178 m的范围内,为离层演化和发育的核心区间,并在322 m开始减弱并发生闭合;离层空间分布在距离煤层约260 m向上区域。21101工作面随着推进距离的增加,裂隙发育范围由“拱形”逐步演化为“马鞍形”,其发育的高度在推进80 m时达到61.6 m的最大值;注水实测导水裂隙带高度为65.39 m,裂采比为22.54倍。离层空间含水层发育在煤层上方260 m以上,远离导水裂隙带范围。本文研究结果为离层注浆与顶板疏放水提供了较为扎实的设计依据。

注氮条件下大采高综放工作面采空区自燃“三带”的分布规律

为解决大采高综放工作面因采高大、回采率低、开采扰动强等造成采空区遗煤自燃危险性增大的问题,以宁夏某煤矿大采高综放工作面为研究对象,应用渗透率演变方程和气体流动模型,分析注氮前后氧浓度时空演化规律及采空区自燃“三带”分布特征。结果表明:采空区氧浓度在注氮条件下呈现出中部大,两侧小的倒“U”型分布;在氧浓度划分下,氧化带范围呈现出先增大后减小的半月形,最大宽度由未注氮时的100 m缩小到50 m;在风速划分下,氧化带较未注氮时整体向工作面方向前移了15 m左右,有效降低了自燃危险区范围。

高位钻孔抽采对采空区自燃“三带”的影响研究

以甘肃某矿北1103工作面为背景,采用数值模拟、现场观测等方法研究高位钻孔抽采对采空区自燃“三带”的影响。结果表明:采空区内部漏风路径与钻孔至工作面的距离呈正相关关系,采空区氧化带、窒息带所处区域随漏风路径的增加向采空区深部扩大;随着钻孔抽采流量的增加,采空区氧化带范围随之增加,但钻孔与工作面的瓦斯浓度呈降低趋势;随着抽采负压的增大,氧化带、散热带的边界线在进风侧向采空区深部移动,在回风侧向工作面方向移动。

注氮对采空区自燃“三带”影响的考察

针对注氮对采空区“三带”范围的影响问题,在皖北某一工作面分别进行了有/无注氮操作下的采空区温度和氧气浓度检测。基于氧气浓度指标,发现注氮操作对采空区“三带”划分范围影响不大,但是在采空区中存在明显的氮气影响区域,并依据氧气浓度基本确定了该区域范围。在实际工程中,可通过调整注氮参数,将氮气影响区域的氧气浓度降至窒息带氧气浓度,从而获得最佳的注氮操作参数。

多漏风通道采空区自燃“三带”划分研究

为研究多漏风通道条件下采空区氧浓度分布规律,采用数值模拟对四种漏风情况下采空区自燃“三带”进行划分,并通过现场实测数据验证了模拟的准确性。结果表明:漏风导致氧化带向采空区深部移动,且漏风量随工作面向前推进逐渐增加,当采空区氧气浓度降低至8%时,进、回风侧到工作面距离由Ⅰ阶段的245m、140m,增大至Ⅳ阶段的420m、470m;2091工作面1、2号束管监测点与Ⅰ阶段数值模拟结果误差小于5%。该研究成果能够为类似漏风条件下采空区煤自燃的针对性防治提供理论基础及有力参考。

Y型通风条件下工作面自燃“三带”划分与防治措施研究

针对随着开采深度的增加,井下温度升高,自燃倾向性等级较高的煤层采空区易发生火灾的问题,以甘肃某矿11091回采工作面为研究背景,通过现场实测分析发现,随着工作面的不断推进,二氧化碳浓度维持在0.04%~0.29%,甲烷浓度最终稳定在2.7%~3.7%,氧气呈明显下降趋势。当测点1、测点3在工作面分别推进至46.4 m、64.8 m时,氧气浓度依次降至18%;当工作面分别推进至91 m、100 m时,测点1、测点3氧气浓度依次降至8%,测点3后方采空区“三带”划分出现拖尾现象。综合分析,最大自燃宽度在36.2~44.6 m之间,出于安全考虑,工作面安全推进速度应低于0.52 m/d,同时需要加强对工作面采空区自燃标志性气体的监测工作。

伯方煤矿采空区“三带”分布特征及在高位长钻孔抽采中的应用

为提高伯方煤矿3305工作面采空区瓦斯抽采效果,通过数值模拟分析了工作面不同推进距离时覆岩垮落与裂隙演化规律,进而确定了3305工作面采空区“三带”高度;最后分析定向高位长钻孔布置层位选择,并在3305工作面开展了定向高位长钻孔抽采效果考察。结果表明,3305工作面上覆岩层垮落带的最大高度为17.5 m,而裂隙带的最大高度则为56 m。定向高位长钻孔的瓦斯抽采量在2.06~11.09 m^(3)/min,瓦斯抽采浓度保持在一个较高水平,平均浓度达到44%,表明定向高位长钻孔终孔位置位于裂隙带的中下部能够高效的抽采采空区瓦斯。

Y型通风工作面采空区自燃“三带”分布特性研究

为了研究Y型通风条件下采空区自燃“三带”分布,提出综合指标判定法,在采空区布置束管和温度探测头开展现场监测,分析氧气、一氧化碳、二氧化碳和温度的空间变化特征,综合划分采空区自燃“三带”范围。研究结果表明:随着采空区深度增加,氧气浓度降低,一氧化碳和二氧化碳气体浓度先增高再降低,温度存在上升趋势但并不显著。利用其变化特征划分自燃“三带”,采空区进风侧散热带范围为0~25 m,氧化带25~93 m;窒息带大于93 m;回风侧散热带为0~51 m,氧化带51~101 m,窒息带大于101 m。工作面最小推进速度为0.65 m/d。

慢采浅埋藏巨厚煤层“三带”测定及防灭火技术应用

国源矿业龙王沟煤矿61601综放工作面所采的6号煤层埋藏较浅,且属于特厚的自然发火煤层,在开采的扰动下,该综放工作面与地面产生漏风通道,进一步增加了煤层自燃的风险。该综放工作面采用多组分气体分析监测系统(井下微色谱束管监测系统)进行采空区的煤自燃“三带”观测,在此基础上实施注入氮气和两头封堵措施后,再进一步观测该采空区“三带”分布情况。结果表明:进风侧的61~104 m、回风侧的24~96 m为“氧化带”;在进行处理后,进风侧“窒息带”前移至距工作面36 m处,同时氧化带和散热带范围也相应缩小。通过对采空区煤自燃“三带”分布范围进行测定,对工作面的防灭火工作具有一定的指导意义,从而有效保障工作面的安全生产。

贵州某矿采空区标志性气体优选及自燃“三带”划分

为解决贵州某矿采空区自然发火早期精准预测预报的难题,以该矿12501工作面采空区为研究对象,利用程序升温实验重点分析煤样在升温氧化过程中CO、CO_(2)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)等气体的变化规律,通过数值模拟及现场实测对采空区自燃“三带”进行了划分。结果表明:CO、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(2)可作为自然发火标志气体,C_(2)H_(4)/C_(2)H_(6)可作为判别煤自然发火进程的辅助指标;散热带平均宽度约18 m,氧化带平均宽度约53 m,氧化带以外为窒息带;当采煤工作面的推进速度大于0.53 m/d时,采空区无自然发火危险;当工作面连续超过114 d时,推进速度均小于0.53 m/d,采空区将有自然发火危险。研究结果为贵州某矿煤层自燃预报提供了理论依据及数据参考,对防治煤层自燃具有重要意义。

紫金煤层采空区自燃“三带”分布规律研究

本研究以紫金煤矿1203工作面为对象,以煤矿相关知识为理论指导,结合实验室实验测定的煤自燃特性参数,并现场布置温度与气体采集系统于运输巷与回风巷两侧,通过Fluent模拟方法对采空区风流速度等进行分析,划分工作面的自燃“三带”范围,同时推算出工作面的最低推进速度,为矿井安全生产提供了保障。研究结果表明:模拟结果散热带宽度约为11 m,自燃带宽度约为11~68 m,窒息带宽度大于68 m,与实测自燃“三带”基本相符。研究成果可为紫金煤层防治提供有效的科学依据,为相似煤矿的安全生产提供一定的参考。

特厚煤层重复采动作用下采空区自燃“三带”位移变化

为探究特厚煤层重复采动下采空区煤自燃“三带”的分布特征,基于束管监测系统,在铜川下石节煤矿222工作面进行现场实测,确定其自燃“三带”的分布规律。借助Fluent软件分别模拟重复采动及单一采动时采空区内氧气浓度的动态分布规律,发现重复采动采空区内实测结果与数值模拟结果基本一致。与单一采动模拟结果对比,重复采动导致采空区内部的散热带和氧化带出现缩短趋势;在进风侧散热带前移6.8%,氧化带前移7.0%;回风侧散热带前移14.3%,氧化带前移11.3%。研究成果能够为重复采动作用下采空区煤自燃危险区域防治提供依据。