倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明:倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力−倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好,保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考,旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量,防止上隅角瓦斯超限,实现倾斜煤层群安全高效开采。

深部近距离煤层群下分层巷道分区支护技术

为实现深部近距离煤层群下分层巷道安全,以张双楼煤矿21916工作面为工程背景,分析了工作面冲击地压影响因素,划分了21916工作面掘进期间巷道冲击危险区域;建立了煤层合并区域下分层回采巷道数值模型,研究了9煤层21916工作面巷道内错7煤采空区不同距离时应力和位移分布规律,确定了下分层巷道合理位置;基于冲击危险区域划分结果,提出了分区支护技术,并设计了支护参数。现场实测表明,下分层巷道最大两帮移近量为164 mm,最大顶底板移近量为84 mm,顶板深部和浅部的离层量不大于3 mm,帮部锚杆和顶部的锚索受力变化较小,顶锚杆受力从8 kN增加到12 kN后趋于稳定,表明21916工作面巷道布置合理,分区防冲支护技术合理,支护质量与效果显著。研究结果可为类似条件工作面防冲支护提供借鉴。

远距离斜交工作面上行开采上组煤垂直应力演化规律

为探究平煤八矿远距离煤层群斜交工作面上行开采过程中上组煤层垂直应力演化规律,采用数值模拟计算的方法展开研究。研究结果表明,己_(15)-21030工作面回采过程中与上覆戊_(9.10)-21070工作面依次形成相离、相交和重叠的空间关系,因此会使上组煤层应力增高或降低。相离区域为应力升高区,受下组煤采动影响应力整体呈升高趋势,应力集中系数最大为1.18;相交区域为卸压过渡区,戊_(9.10)-21070工作面应力由增压变为卸压,最大卸压值较原始应力降低了25%,倾向卸压影响范围为55 m;重叠区域为卸压区,受己_(15)-21030工作面采动影响卸压效果及卸压范围均进一步增大,最大卸压值较原始应力降低了40%,倾向卸压影响范围增大至180 m。将戊组煤层戊_(9.10)-21070工作面根据应力分布云图依次划分为增压区、应力过渡区、卸压区和稳定卸压区。通过现场瓦斯含量测试验证了卸压区残余瓦斯含量比原始区域残余瓦斯含量降低32.9%,远距离煤层群上行开采形成卸压区有利于瓦斯治理工作的开展。

煤层群叠加开采覆岩裂隙演化及卸压瓦斯抽采研究

针对采动裂隙带卸压瓦斯抽采效果不佳导致的工作面上隅角瓦斯超限的问题。以赵家寨煤矿11210工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法,研究了煤层群叠加开采对上覆岩层采动裂隙的演化特征,并通过现场验证确定了瓦斯抽采的最优层位。结果表明:煤层群叠加开采过程中,在卸压区域外,形成了较大的应力集中,在卸压保护范围内,应力集中现象不明显,且应力峰值小于二1煤层原始应力;煤层群叠加开采引起了采场上覆岩层的叠加卸压,使上覆岩层的位移场发生了叠加变化,岩层最大下沉量进一步增加;煤层群叠加开采结束后,采空区上覆岩层中部岩层被压实,两端岩层裂隙较为发育,形成了一定范围的裂隙发育区。通过现场试验,确定了裂隙带定向长钻孔合理层位的选择,并在现场进行钻孔监测,验证了物理相似模拟结果的合理性。

煤层群中断层对采动裂隙演化规律的影响研究

为研究断层对煤层群采动裂隙演化规律的影响,以贵州土城煤矿151710工作面为研究对象,基于相似模拟和数值模拟方法对含断层煤层群采动裂隙演化规律进行研究。结果表明:含断层煤层群中9号、12号煤层开采到相同距离时工作面周围应力分布显著不同;9号煤层的超前开采,使12号煤层处于应力降低区,过断层开采时工作面前后出现应力分区现象;随着开采的进行,12号煤层的采动影响范围小于9号煤层;当开采工作面过断层时,覆岩裂隙发育迅速,岩层间出现显著离层,并发生不同程度的断裂。现场12号煤层回风巷顶板钻孔窥视显示:当工作面过断层时,顶板破碎严重,覆岩裂隙发育杂乱。

煤层群采动下围岩应力演化规律及协同控制技术研究

针对煤层群开采过程中巷道支护困难问题,以贵州土城矿212回风石门为工程背景。综合采用现场调研、数值模拟、相似模拟及现场试验等手段,揭示了212回风石门应力演化规律,并提出了“卸−转−固”协同控制技术。研究结果表明:212回风石门遭受破坏的主要原因是煤层群采动过程中存在的地质力学问题导致了围岩失稳。巷道底板及两帮在采动过程中产生不同程度的应力集中。当遭受垂直应力挤压时,巷道底部承受的挤压力较大,而顶部围岩承受的拉伸力较大,由于力学不平衡导致围岩的破坏。基于此提出了“卸−转−固”协同控制技术。通过爆破卸压的方式,利用爆破产生的冲击波引起围岩的震动和应力波动,使表层围岩中原本集中的应力分散到更深的围岩区域,降低表层围岩的应力集中程度。同时,利用爆轰和封孔工艺进一步加固卸压孔周围的围岩,形成两个承载结构。即由巷道支护体形成的内承载体和由深部围岩形成的外承载体。两者相互作用有效承受巷道浅部及深部围岩的应力,并转移到支护结构,起到保护和稳定围岩的作用。利用该技术在212回风石门现场试验,结果显示:使用该技术区域应力长期趋于稳定甚至缓慢降低,巷道顶底板及两帮移近速率分别降低了74.49%及47.67%,底鼓量降低了77.2%。而未使用该技术区域应力出现不同程度的上升,表面位移收敛严重。由此可得,围岩控制效果显著。该技术已成功推广到贵州其他不同地质环境的煤矿,均取得了显著效果。

浅埋近煤层群采动“三区”漏风裂隙场时空演化规律数值模拟

浅埋近煤层群采动下,地面采空区工作面“三区”之间易形成连通的漏气通道引发工作面低氧和采空区煤自燃,如何厘清采动效应下浅埋煤层群“三区”漏气通道的时空分布演化规律是有效防控煤自燃和低氧的关键。以陕煤柠条塔煤矿S1232工作面为研究背景,采用理论与数值模拟相结合的方法,研究了单一煤层、复合煤层重复开采下覆岩破坏特征,分析了煤层间距与采厚对裂隙二次发育的影响规律。结果表明:浅埋近煤层群开采下上覆岩层裂隙仅存在垮落带与裂缝带,主关键层破断后裂缝带快速发育至地表,关键层周期破断控制地表裂隙周期生成与下沉;上煤层裂隙密度发育由原始阶段先后经历快速增长、稳定和二次增长3个阶段;随采厚增大,各区间裂隙密度增大,大裂隙发育更充分,裂隙宽度整体增大;随煤层间距增大,小于0.2 m的裂隙宽度随采厚增大,且增加的速度逐渐加快,大于0.2 m的裂隙宽度随采厚增大,但增加速度逐渐变缓;采厚相同时,裂隙宽度大于0.2 m的裂隙密度随着煤层间距的增大逐渐减小。

缓倾斜煤层群开采辅助运输系统改造及开拓优化设计

针对缓倾斜煤层群开发过程中由于辅助提升及运输系统复杂引起的一系列问题,提出以无轨化辅助运输系统为改造目标,以新建缓坡斜井为改造方式,对沙吉海一号矿井进行辅助提升及运输系统改造。结合井筒布置情况,对矿井进行开拓优化设计,采用缓坡斜井兼做采区辅助运输上山的方式开发煤层群,减少采区个数,延长各采区服务年限,有利于缓解矿井采掘接续紧张的局面。对于新疆地区煤层群开发,沙吉海一号矿井开拓优化思路有一定的借鉴意义。

黔西小屯井田煤层气多层合采产层组合优化

贵州小屯井田龙潭组煤系具有煤层数量多、煤层间距小、煤层厚度薄等特点,煤层气开发需以多层合采为主要方式;与单一厚层状煤层相比,多煤层合采易发生层间干扰,影响合采效果及资源动用程度。基于小屯井田钻孔岩性与含气性分析,识别出有利、较有利与不利3种煤岩层组合类型,考查各煤层厚度、埋深、含气量等特征,对比各煤层的煤层气资源条件,综合考虑储盖组合、含气性、渗透性、储层压力、地应力等因素,划分出Ⅰ(6上煤+6中煤+6下煤)、Ⅱ(7煤)、Ⅲ(33煤+34煤)共3套叠置煤层气系统;在此基础上,优化合采产层组合,并确定有序开发模式为优先开发上部产层组合(6上煤+6中煤+6下煤),其次为下部组合(33煤+34煤),最后考虑经济与时间成本确定是否单独开发7煤;确立了资源条件分析-含气系统划分-产层组合优化的多-薄煤层发育区煤层气合采层位优选思路。

煤层群上下保护层开采围岩应力及裂隙演化规律研究

为实现煤层群上下保护层开采过程中被保护层卸压瓦斯的高效抽采,采用数值模拟方法研究上下保护层开采后围岩应力、裂隙分布及演化规律,探明上下保护层开采的卸压瓦斯富集区。研究结果表明:下保护层开采后,被保护层工作面上侧覆岩卸压高度明显大于下侧覆岩卸压高度,次采上保护层后,增大了被保护层卸压范围。下保护层开采后被保护层走向卸压角为63°,倾斜上下边界卸压角为87°、72°。上保护层开采后被保护层走向卸压角为59°,倾斜上下边界卸压角为76°、79°。经过保护层卸压后,被保护层抽采卸压瓦斯纯流量相比卸压前呈现10余倍增大,卸压瓦斯抽采具有明显的时空效应。

保护层开采与卸压瓦斯协同抽采技术研究与应用

针对深部低透突出煤层群下保护层开采后上覆被保护层卸压瓦斯及下保护层瓦斯协同抽采的难题,新景矿采用“地面井预抽+高(低)位抽采巷”实现了被保护层卸压瓦斯及上隅角瓦斯的协同抽采。综合应用机械造穴、地面井压裂等增透措施,提高了新景矿15号煤层抽采效率。增透前后支管抽采瓦斯纯流量提高了2.27倍,缩短了保护层工作面预抽瓦斯的达标时间;通过对比15号煤层开采前后3号、8号及9号被保护层的卸压瓦斯地面井抽采瓦斯纯流量提高了1.85倍,实现了保护层与被保护层瓦斯的协同抽采,开采突出煤层群做到安全可控,对阳泉矿区煤层群安全高效开采具有重要的参考意义。

张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

基于薄煤层开切眼的锚网索联合支护研究与应用

为提高薄煤层工作面回撤速度,更加安全高效地实现薄煤层工作面的开采。以平煤二矿己17-23010开切眼为对象,研究该开切眼开采前后顶板的破坏机理,并探索锚网索联合支护下开切眼巷道的支护效果。研究表明,开切眼顶板岩体的失稳源于开采扰动的影响,在轴向力和岩体自重的双重影响下发生失稳破坏;与传统的棚式支护相比,锚网索联合支护能极大提高薄煤层开切眼的安全性并提高开采效率,因此建议在薄煤层开切眼中推广采用该种支护。

极近距离煤层下伏回采巷道围岩控制技术研究

针对极近距离煤层下伏巷道支护难度大的问题,采用数值模拟、理论分析、现场实践相结合的研究方法,开展极近距离煤层开采底板下伏巷道围岩稳定性控制技术研究,得出:极近距离煤层开采底板下,将下伏回采巷道相对上覆残留煤柱中线错开12~16 m距离布置,有利于下伏回采巷道支护稳定,并在此基础上提出锚杆+金属网+金属棚架的联合支护方案,应用效果良好,为类似条件下的巷道支护提供了有意义的参考。

浅埋煤层群开采工作面防灭火技术研究

针对3305采煤工作面埋深浅、采空区漏风复杂以及采面与上覆采空区间间距小等问题,提出以预防性灌浆、注氮为主的防灭火技术措施,并通过强化监测手段提高火灾预警能力、通过减少漏风实现采空区遗煤及时惰化。结合3305采煤工作面现场情况,对采用的防灭火技术措施进行详细分析。现场应用后,3305采煤工作面回采期间采空区及上覆2#煤层采空区均未发现有遗煤自燃发火征兆,采用的防灭火技术措施取得较好效果。

煤层群下煤层开采对上覆采空区积水影响程度研究

为研究下煤层开采对上覆采空区积水影响,以凌志达矿煤层群为研究对象,采用数据统计、公式优化等方法,拟合出煤层群开采底板破坏深度公式,分析了采空区积水分布规律,探索了下煤层开采对上覆采空区积水的影响,制定了影响程度判定标准,并将下煤层开采对上煤层采空区积水影响程度划分为危险区、影响区与安全区。分区判定划分结果表征了研究区煤层开采对上层采空区的影响程度,可量化上层采空区水位分布、突水风险的影响和扰动程度,对煤层群开采突水防治具有重要意义。

极近距离煤层群下行开采采空区瓦斯治理技术

针对极近距离煤层群下行开采中采空区瓦斯治理难题,提出了1套创新性的技术方案。分析了极近距离煤层群瓦斯涌出的规律,并基于钻孔施工、采空区瓦斯抽采施工、采空区密封工程3个方面提出了1种适用于极近距离煤层群下行开采的采空区瓦斯治理技术,旨在提高极近距离煤层群下行开采的安全性,减少瓦斯事故的发生,为中国煤炭行业的高质量发展提供技术支持。

基于FLAC^(3D)数值模拟的近距离煤层工作面布置应力分布研究

近距离煤层群在开采过程中会引起回采空间周围岩层应力重新分布,其上、下煤层工作面的位置关系与回采巷道布置对实现工作面安全开采有重要影响。以内蒙古伊泰煤炭股份有限公司纳林庙煤矿二号井(简称“伊泰纳二井”)邻近的4-1煤层与4-2煤层为研究对象,采用FLAC^(3D)数值模拟对不同的煤层工作面布置方式及联合开采方式进行综合研究,分析不同布置方案下围岩应力的分布特征。研究结果表明:工作面巷道采用内错布置和重叠布置方式时煤柱支承能力较好,重叠布置较内错布置节约10 m煤柱,因此采用重叠布置方式;下煤层工作面切眼与回撤通道布置在上煤层工作面内错距离10 m处;压力高峰区随着工作面滞后距离的增加逐渐偏离,滞后80 m时,两工作面超前支承压力完全分离,因此下煤层滞后上煤层距离应大于80 m。

高位钻孔在黄白茨煤矿瓦斯治理中的应用

以黄白茨煤矿020913综采工作面为研究对象,通过分析近距离煤层群采空区瓦斯涌出来源及采动覆岩裂隙场分布规律,针对性地选择高位钻孔作为工作面瓦斯治理的主要措施。通过理论计算,初步得到高位钻孔布置参数。为了将进一步得到高位钻孔最佳布置参数,通过对比分析不同层位高位钻抽采浓度变化规律,根据现场考察结果,得到了020913综采工作面高位钻孔最佳布置层位。现场实践结果表明,在距煤层顶板25 m层位布置高位钻孔抽采效果最佳,采用高位钻孔抽采后,020913工作面回采期间回风流瓦斯浓度最大为0.52%,上隅角瓦斯浓度不超过0.6%,达到了预期的瓦斯治理效果,切实保障了矿井的安全生产。

近距离煤层群支架拆装间支护技术的探索实践

平煤股份四矿己16.17-23160工作面末采回撤期间,回风巷需施工大断面支架拆装间,受近距离煤层群开采影响,己16.17-23160回风巷支架拆装间处于上覆己15-23140机巷、己15-23160瓦斯尾巷下方,通过现场钻探实测上下煤层距离及老巷状况,针对末采期间工作面超前支承应力影响和围岩状况,优化棚索联合支护方式,改进施工方法,实现安全高效生产和精准有效支护。采用数值模拟的方法进行分析验证,为近距离煤层群复杂条件工作面末采回撤期间大断面支架拆装间施工和支护技术提供可靠的技术经验支持。