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。

深井极近距煤层群工作面布置方案数值模拟研究

为研究深井极近距煤层群工作面合理布置方案,基于FLAC^(3D)数值模拟软件,对深井极近距煤层群相邻工作面等距内错、等距外错、不等距内错5种方案下的扰动应力场分布及围岩破坏特征进行深入研究。研究表明:上层工作面开采后,垂直应力呈现轴对称分布,最大垂直应力点位于工作面超前煤壁区和切眼之后煤柱区,超前支承压力影响区为工作面前方12 m,峰值达到53.577 MPa;下层工作面布置时应将巷道布置于上层煤采动后的应力降低区,同时考虑煤炭回收率,采用进风巷内错30 m、运输巷内错10 m的方式来布置巷道;潘二矿采用模拟最优方案进行了现场施工,实现了安全回采,并且对比等距内错方案,提高了采出率。研究成果可为煤层群工作面布置及安全开采提供参考依据。

邯邢矿区深部煤层底板突水机理研究

为探讨大采深高承压水条件下煤层底板的突水机理,通过分析邯邢矿区底板突水的特征,从岩石结构及地下水动力及线弹性断裂力学等方面研究入手,首次提出了"分时段分带突破"的煤层底板突水机理。从空间上,将上组煤2号主采煤层至煤系基底奥灰强含水层之间,以薄层灰岩含水层为界划分4个隔水地质单元,按阻水能力将煤层底板岩体划分为11个阻水带,构建了6种底板突水模式,解释了高承压水从底往上逐带突破的物质基础条件;从时间上,将煤层底板渗水及突水通道形成进程划分为4个时段,确定了每个时段的界定条件。结合岩体力学分析,给出了底板突水综合判别式,为防控底板"分时段分带突破"突水进程提供决策。

近距离煤层群瓦斯立体抽采技术研究

针对桐梓煤矿近距离煤层群开采,首先选择瓦斯含量较小、突出危险性低的煤层作为保护层进行开采,利用其开采扰动作用提高下部卸压煤层的透气性。采用顺层钻孔、低位走向穿层钻孔、采空区埋管和底板上向穿层钻孔等措施对煤层群进行立体化综合抽采,试验表明:保护层工作面瓦斯预抽采率在55%以上,消除了煤与瓦斯突出危险性,工作面开采后上隅角瓦斯体积分数控制在1%以下;6号、7号和9号被保护煤层经卸压后透气性系数分别增加了392、320和289倍,瓦斯抽采率超过60%,实现了煤与瓦斯安全高效共采。

双柳煤矿下组煤开采水文地质条件分析及矿井防治水措施

双柳煤矿下组煤开采过程中,主要面临上部太原组灰岩含水层和下部高压奥灰含水层的突水威胁,底板承受奥灰水最高水压达5～6MPa。文章在区域水文地质条件的基础上,分析了矿井主要充水含水层和隔水层以及矿井充水因素,提出了双柳煤矿开采下组煤的主要防治水措施,为保障矿井安全生产提供技术依据。

深井巷道过断层群期间微震规律分析

为更有效地预防深部矿井掘进工作面过断层群期间冲击矿压事故的发生,采用微震监测系统对断层群区域煤岩体内微震活动进行了全时段监测。基于微震活动在能量释放与震动频次方面的变化特征,分析了断块活动聚集能量对冲击矿压的诱发影响,以及断层群区域人为采掘扰动影响下的微震活动变化规律。结果表明:断层群构造区域微震活动具有较高的不稳定性,随着掘进工作面逐渐临近,区域内每日震动释放总能量值起伏波动逐渐增大,最大能量值呈现快速攀升趋势;强烈微震活动发生前有一段弱震活动时期,弱震活动为强震再次发生起到蓄能作用。

深部下组煤首采工作面周邻区段底板突水危险性预测评价

以济北矿区某煤矿高承压水体上下组煤首采工作面周邻区段采掘为工程背景,为预测底板太原组主要灰岩含水层的突水危险性,运用突水系数法对正常块段十三灰的突水危险性进行预测评价,结果表明,完整地段10个钻孔的突水系数值均大于《煤矿防治水规定》中的临界突水系数0.1 MPa/m,带压开采危险性较大。与此同时,结合钻孔和伺服渗透资料,分别计算了这些钻孔底板岩层的综合阻水强度,并将这10个钻孔的实际水压值与其相应的综合阻水强度值的比值进行分区研究。两种方法对比分析表明,突水系数大的区段一般对应的比值也较大,两者之间具有一定的关联性,比较符合实际情况。这为济北矿区及地质条件相似矿井煤炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了新的研究方法。

奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用

鉴于邯邢矿区大采深矿井深部煤层和下组煤开采受奥灰承压水威胁现状和保水开采需要,提出了奥灰岩溶水上带压开采水害治理的"区域超前治理"理念及"超前主动、区域治理、全面改造、带压开采"防治水指导原则;相应给出了区域分区原则、治理模式及适用条件、治查结合新方法、超前治理管理程序、底板阻水能力评价方法和治理关键技术等支撑体系。该成套技术首先在邯邢矿区进行了应用研究,特别是地面多分支水平钻进关键技术应用研究,取得了很好的安全技术效果,创新了大采深矿井和开采下组煤奥灰水害治理方法,安全开采受承压水威胁的煤炭资源,保护了煤系基底奥灰水环境。

奥灰岩溶水上带压开采区域超前治理防治水技术

针对邯邢矿区煤层开采受奥灰承压水威胁及保水开采的现状,提出了区域超前治理防治水技术,以超前主动、区域治理、全面改造、带压开采为指导原则,该技术在邯邢矿区奥灰含水层顶部区域超前注浆改造中进行应用,以孔口终压1.0 MPa、稳定30 min以上和单孔吸浆量小于50 L/min作为注浆结束标准。试验过程中采用地面多分支水平钻进关键技术,最终达到注浆加固煤层底板含水层及奥灰顶部改造含水层目的,大幅降低煤层底板突水可能性,安全开采出受承压水威胁的煤炭资源。

低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术

为了有效解决低透气性高瓦斯煤层群治理难题,加大低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采技术的推广应用力度,促进煤矿安全形势持续好转,详细介绍了该关键技术的产生背景、最新创新成果及工程实践案例。从典型地质条件下的留巷充填方式、瓦斯卸压抽采等方面分析了技术应用现状及发展趋势。结果表明:应从设计源头优化充填系统、瓦斯抽采系统,实现充填自动化、瓦斯抽采最大化和成本最小化,推动技术应用标准化及产业化。通过不断完善和发展无煤柱煤与瓦斯共采理论与技术,为低透气性高瓦斯煤层群安全高效开采提供科学可靠的技术途径。

深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究

为揭示瓦斯在深部煤层抽采时的渗流机理,基于深部煤层低渗透率、高地应力、高瓦斯压力特征,结合瓦斯运移的Klinkenberg效应,建立了考虑煤体基质、裂隙双重孔隙介质的瓦斯抽采气固耦合模型,并针对具体地质情况进行了耦合模型的数值模拟研究。结果表明:煤层瓦斯压力随抽采时间增长呈下降趋势,钻孔周围出现瓦斯压降漏斗现象,距钻孔越近瓦斯压力下降越明显。深部低渗透煤层瓦斯抽采过程中,煤层体积变形、瓦斯解吸共同影响煤层渗透率变化,瓦斯抽采使煤层瓦斯压力逐渐降低,煤体发生收缩变形导致渗透率增大,同时煤层有效应力增大,煤层中裂隙、基质受压变形,又会导致渗透率逐渐减小。

奥灰岩溶水上带压开采区域超前治理防治水技术

针对邯邢矿区煤层开采受奥灰承压水威胁现状及保水开采的现状,提出了区域超前治理防治水技术,以超前主动、区域治理、全面改造、带压开采的指导原则,该技术在邯邢奥灰含水层顶部区域超前注浆改造中进行应用,以孔口终压1.0 MPa、稳定30 min以上和单孔吸浆量小于50 L/min作为注浆结束标准。试验过程中采用地面多分支水平钻进关键技术,最终达到注浆和加固煤层地板含水层及奥灰顶部改造含水层目的,大幅降低煤层底板突水可能性,安全开采出受承压水威胁的煤炭资源。

井下水力压裂对深部低透煤层瓦斯含量的影响规律研究

水力压裂是解决深部低透煤层抽采瓦斯困难的主要方法之一,为了进一步提升瓦斯高效抽采及客观评价压裂效果,有必要对压裂后煤层瓦斯含量的影响规律进行研究。在平煤股份十二矿深部低透煤层开展了底抽巷上行穿层钻孔水力压裂增透试验,设计了18个压裂效果考察钻孔,通过取样测定每个考察钻孔的瓦斯含量,详细分析了水力压裂后目标煤层及邻近煤层瓦斯含量的变化规律。研究结果表明:压裂钻孔周围35m范围内目标煤层的瓦斯含量较原始瓦斯含量平均降低了63%,邻近煤层的瓦斯含量较原始瓦斯含量平均降低了27%;沿目标煤层倾向的瓦斯含量平均降幅高于走向。研究结果可为深部低透煤层水力压裂钻孔与抽采钻孔的优化设计提供参考。

东滩煤矿下组煤奥灰疏降水量数值模拟

基于东滩煤矿下组煤第一勘探区奥陶系灰岩水压高达7.5～10.4 MPa,为安全回采该下组煤进行了大规模的水文地质补充勘探,对勘查区地质及水文地质条件进行了系统地分析和研究,在此基础上,建立了勘查区水文地质概念模型,进而得到相应的数学模型,采用功能齐全的地下水水量及水质计算机模拟软件系统FEFLOW,模拟了第一勘探区奥灰水文地质Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的奥灰疏降水量,结果分别为1 900、0、720 m3/h,降至安全水压的时间分别约为10、0、20 d。模拟结果显示,东滩煤矿奥灰水压可以疏降,可以实现下组煤的安全开采。

深部低渗松软煤层群条件下煤层气抽采模式初探

深部低渗松软煤层群煤层气抽采面临着高地压、低渗透、难抽采等难题,通过分析现有煤层气抽采技术的特点,给出了煤层群开采条件下的煤层气抽采技术分类方法。基于保护层与被保护层煤层气抽采方法时空关系的分析,提出了适用于深部低渗松软煤层群的煤层气七区配套联合立体抽采模式。

深部煤层渗透特征及首采关键层卸压改造技术

针对我国煤层开采地质条件复杂、含煤地层中煤层群广泛发育、突出煤层群瓦斯灾害严重的特征,采用理论分析、数据统计和工程实践相结合的方法,系统分析了我国深部煤储层渗透特征,即深部煤体呈天然粉化结构,微、小孔发育,渗透率通常小于10^(-6)μm^2;提出了应依据安全性、经济性和统筹规划的首采关键层选择内涵和首采关键层"钻孔卸荷"的理论模型,确定在埋深大于800 m时,吨煤钻孔长度、钻孔间距等定量化关键指标;在此基础上,介绍了我国采用地面井压裂、井下顺层钻孔和穿层钻孔改造首采关键层的技术途径,配合邻近层卸压瓦斯抽采方法构成立体瓦斯抽采模式,实现了高瓦斯突出矿井煤与瓦斯2种资源的安全高效开采。

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己14和己15深部近距离煤层群工程实践,在己15-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己14煤层底板破坏深度理论值约21.24~30.88m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现“近线性增长—跃阶式降低”两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己15煤层采动影响范围约105m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。

千米深井强突出煤层群井筒快速揭煤技术

针对淮南矿区深部煤层具有低透气性、强突出的特点,且揭煤过程具有很强的危险性,以潘一矿东井二副井的近距离强突出煤层群为研究对象,依据前探基础资料,以及强突出煤层群井筒揭煤的特点,增加2圈减压孔,优化设计与施工,实施多煤层联合抽采消突措施,过煤段下花管护孔并下铁管作为金属骨架等措施确保抽采量,提前完成抽采任务并实现了数据的在线监测。井筒揭5-2、5-1、4-2、4-1煤层从施工钻孔、抽采评价到揭煤结束,比预期时间缩短25 d,实现了安全、快速井筒揭煤。

低透气性煤层群井下增透技术

针对松藻矿区可采煤层透气性差、难于抽采问题,根据矿区煤层赋存特点,试验研究了水力压裂增透技术,形成了保护层开采卸压增透技术和高压水力压裂增透技术相结合的有效增透技术方法。矿区采取保护层开采卸压增透后,使被保护层渗透率增长倍数最高达2.03×10^4倍。采用高压水力压裂增透技术提高保护层透气性后,水力压裂增透半径可达70 m;增透后平均单孔抽采量提高3-5倍,抽采瓦斯体积分数提高3%-20%。松藻矿区采用这2项增透技术后,实现了低透气性煤层群瓦斯的顺利抽采,同时保证了矿井煤炭资源的安全开采。

深部近距离下位煤层回采巷道围岩变形控制

平顶山矿区戊组煤、己组煤均为(极)近距离煤层群,煤层层间距为2~15 m,戊组煤层与己组煤层间距180 m左右,覆岩厚度为700~1000 m。因为埋深大、受上位煤层遗留煤柱集中应力和多次工作面采动影响,巷道围岩应力分布复杂、应力水平高、破碎且可锚性差,易发生大变形,投入维护成本高。为了解决深部近距离下位煤层回采巷道围岩应力分布复杂、多次采动影响造成巷道支护困难的问题,系统分析了己_(15)-31010运输巷受采动影响的围岩应力分布及巷道变形特征,上煤层回采过程中,巷道围岩垂直应力峰值比下煤层回采时高出18.72%,巷道表面位移增速显著,两帮塑性区范围最大3 m,顶板塑性区范围最大1.5 m。基于降低围岩应力、提升支护强度的原则,提出了以“卸-让-抗”为核心的动态立体支护对策,设计了巷道顶板采用超高强让压锚杆+钢筋网+M型钢带+锚索,支护帮部采用等强树脂锚杆+钢筋网+钢筋梯梁+锚索支护,围岩应力集中区或关键部位进行卸压的总体方案,将锚索之间用单股钢绞线连接形成三维整体,对巷道围岩浅部和深部、横向和纵向进行全方位立体支护,爆破卸压释放围岩初期变形压力,局部高应力区钻孔将煤体较高的能量进行释放,让压锚杆缓解支护结构承受载荷。该方案有效地将巷道围岩集中应力从距巷道表面2.5 m转移到距巷道表面8.0 m的围岩深部,对该方案进行的工业性试验结果表明:上煤层开采时,巷道两帮最大移近量240 mm,顶底板最大移近量156 mm,下煤层开采时,巷道两帮最大移近量335 mm,顶底板最大移近量230 mm,巷道支护效果良好,能有效控制巷道围岩变形,可为类似条件的回采巷道围岩控制提供参考。