远距离下保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采方案

针对深部远距离下保护层开采后上覆被保护层卸压及瓦斯治理难的问题,以朱仙庄煤矿Ⅲ1031工作面工程条件为背景,采用相似模拟和数值模拟相结合的方法,研究了远距离下保护层开采过程中覆岩的应力演化规律、变形破坏特征和卸压增透效果。结果表明:保护层开采,产生延伸至被保护层的纵贯式穿层裂隙,基本顶发生平均步距15 m左右的周期破断,煤层压力先减小,采空区中部重新压实后,应力开始逐渐恢复;在围岩内形成应力增高区域,而应力在向采空区中部演化时,则以近似于弧状的应力递减圈形态发育。因煤层采动在采空区两侧形成离层裂隙发育区,为瓦斯流动提供通道,被保护层也因此得到卸压,其卸压率达到0.91,增透率增幅为5%~20%,被保护层出现明显卸压增透效应。为解决保护层开采后瓦斯需卸压抽采的问题,设计了穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔配合拦截钻孔和采空区埋管的瓦斯抽采方案。

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。

不同开采参数条件下保护层开采卸压效果研究

为探究不同开采参数条件下的保护层卸压效果,系统性分析了开采高度、层间距、工作面长度对被保护煤层的垂直应力分布规律以及底板卸压程度的影响,通过计算卸压系数进行了量化表征。结果表明:开采高度的增加与层间距的降低将导致卸压效果的提升。保护层的卸压量随着工作面长度的增加而逐渐降低,卸压范围随工作面长度增加而增长。对底板的卸压程度进行分析,表明开采高度与工作面长度的增加有利于提升底板的卸压效果。层间距的影响则存在两级分化特征,当层间距小于20 m时,底板卸压的临界深逐渐增加,层间距大于20 m时,底板卸压的临界深度逐渐降低,并逐渐达到稳定。

急倾斜俯伪斜上保护层保护范围的三维数值模拟

针对急倾斜俯伪斜采煤法上保护层保护范围的划定难题,基于有限元法,结合保护层顶底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,采用3D-σ软件模拟急倾斜俯伪斜上保护层开采中被保护层的应力场及变形场的变化过程,得出保护层的保护效果,分析被保护层的最大主应力和变形随上保护层采煤工作面推进的变化规律;并根据保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则,确定保护层沿倾向和走向的保护范围。结果表明,急倾斜俯伪斜采煤法上保护层沿倾向上、下边界的卸压角分别为84.9°和68.0°;沿走向的卸压角在倾向上呈非均匀分布,大小为38.3°～51.0°;同时,由现场考察方法与数值模拟方法所确定的急倾斜俯伪斜上保护层保护范围基本一致。因此,采用数值模拟方法来研究急倾斜俯伪斜上保护层的保护范围是可行的,且结果偏于安全。

煤层群下保护层开采保护范围的数值模拟

为确定煤层群下保护层开采上部被保护煤层的保护范围,结合金佳矿一采煤工作面保护层顶底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,采用FLAC3D软件模拟下保护层开采中被保护层的应力场及变形场的变化过程,得出保护层的保护效果;并根据保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则,确定保护层沿倾向和走向的保护范围。结果表明,由于岩性及岩层结构的影响,通过数值模拟确定的各被保护层的保护范围与按照卸压角确定的保护范围有一定差异;分别用现场考察与数值模拟这2种方法所确定的下保护层保护范围基本一致。

远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究

基于相似模拟试验方法,模拟远程下保护层开采时被保护层变形分布特征,将被保护层变形分为压缩变形区、卸压膨胀变形区、卸压膨胀变形稳定区、卸压膨胀变形区、压缩变形区5个区域,变形呈现“M”形态,两边呈现对称分布.工程实践表明,远程下保护层开采后,在采空区上方的一定范围内被保护层产生卸压膨胀变形,煤体弹性潜能得以释放,透气性增大,消除或减小了被保护层煤与瓦斯突出危险性.研究结果经过工程应用取得了显著的经济技术效益.

远距离薄煤上保护层开采方案保护有效性论证

为验证薄煤上保护层开采的卸压保护效果,采用相似材料模拟试验,对薄煤保护层开采设计方案进行实验室还原,得到保护层工作面推进过程中支承压力、被保护煤层及保护层底板的应力分布特征。给出被保护层相对保护层开切眼不同位置煤体的受载力学路径、卸压范围,并依据应力保护准则对保护有效性进行判定。依据岩石强度指数及广义胡克定律,计算得到底板导气裂隙带及卸压解吸带的分布范围。以红阳三矿保护层开采方案为例对保护有效性进行前期论证。研究结果表明,采用该保护层开采方案,未起到有效保护作用。

近距离煤层群上保护层开采煤岩体动力学演化

针对平顶山十二矿己15煤层的地层条件,基于弹性力学和岩石破裂损伤理论,利用大型有限差分软件FLAC 3D模拟分析了上保护层开采过程中,被保护层水平变形特征及层厚变化规律.得出己15煤层最大膨胀变形量接近1.4%,确定了被保护层受保护范围为走向方向内错5-7 m,倾斜方向内错4-6 m.并将数值模拟结果与现场实际测定数据进行对比分析,两者基本吻合.研究结果对十二矿防治煤与瓦斯突出具有重大的理论意义和现实意义,也对类似矿井区域防治煤与瓦斯突出具有很大的借鉴意义.

不同间距上保护层开采卸压效应UDEC数值模拟

为了对比研究不同间距上保护层开采时对被保护煤层的保护效果,利用UDEC软件对不同间距上保护层开采卸压效应进行了数值模拟,得到不同间距保护层开采时,被保护层在开采过程中的垂直应力和位移变化规律,结果表明:上保护层开采后,采空区下部的被保护层垂直应力随间距的减小而减小,垂直位移随间距的减小而升高.并且模拟得出开采后不同间距被保护层的卸压率、卸压角和变形膨胀率,为预防煤与瓦斯突出,优化卸压瓦斯抽采系统,提高卸压瓦斯抽采质量浓度、抽采量以及抽采率提供了一定理论依据.

间距对上保护层开采保护效果影响的相似模拟实验研究

为研究上保护层开采保护效果随层间距的变化规律,以南桐矿区作为实验背景,保持保护层倾向工作面开挖长度、煤层埋深、倾角、岩层物理力学性质相同,将层间多层岩层处理为复合岩层,分别进行近距离、远距离和超远距离上保护层开采相似模拟实验。综合分析被保护层卸压规律及基于被保护层垂直于层面的膨胀变形保护准则所得保护范围可知:上保护层开采被保护层卸压曲线呈"凸形",且"凸形"中心线偏向下山方向。随层间距增加,"凸形"底部被保护层小于原岩应力的卸压范围与"凸形"顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势;两者中心位置均向下山方向转移,且后者转移度大于前者;被保护层卸压曲线中卸压范围的卸压程度及应力集中范围的应力集中程度均呈减弱趋势;以垂直层面的膨胀变形量3‰确定的上下边界膨胀变形保护角均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中相应条件的卸压角,因此以该方法确定的保护范围相对《防治煤与瓦斯突出规定》偏于安全,且随层间距增加保护范围长度呈加速减小趋势。

近距离下保护层开采卸压效果及可行性分析

针对深部矿井煤与瓦斯突出严重现象,以平煤十矿己15.16-24130工作面为研究对象,采用数值模拟与相似材料模拟相结合的方法,分析了深埋藏近距离煤层群下保护层开采条件下,被保护层应力分布规律和膨胀变形量,对卸压保护范围及保护层开采可行性进行研究.数值模拟结果表明：卸压保护范围走向为10-692 m,倾向为4-150 m,走向卸压角为63°-68°,倾向卸压角为72°-78°,最大膨胀变形率可达1.13%.相似材料模拟显示最大膨胀变形率为1.91%,与数值模拟结果基本一致,卸压效果显著,下保护层开采可行.

海孜矿上保护层开采卸压保护范围数值模拟研究

为准确考察海孜矿7煤层上保护层工作面开采后下部卸压保护范围,保障被保护层工作面的顺利接替,应用FLAC-3D数值模拟软件,模拟实际地质条件下的保护层开采行为。研究了受采动影响后的被保护层走向及倾向上的应力分布。应用实际地质条件参数计算得出被保护9煤的应力卸压准则:当煤层最大主应力小于8.18 MPa时,煤层得到充分卸压。结合被保护层应力分布及应力卸压准则研究得出上保护层开采卸压保护范围:风巷侧卸压角为77°,机巷侧卸压角为75°,走向卸压角为63°。这些结果与实测结果基本一致。

近距离下保护层开采卸压瓦斯运移规律研究

为研究近距离下保护层开采卸压瓦斯运移规律,采用COMSOL数值模拟和现场实测方法,研究了保护层开采后上覆岩层垂直应力的变化规律、被保护层瓦斯压力分布规律、透气性系数变化规律和卸压范围。

平顶山十矿下保护层开采围岩破坏数值模拟及水害防治

为研究平顶山十矿下保护层开采是否达到释放己_(16-17)煤层瓦斯的目的以及是否会诱发底板灰岩承压水突水问题,基于FLAC^(3D)数值模拟软件,以十矿24130首采面为例,模拟采动条件下顶底板围岩的变形破坏过程。结果显示:开采下保护层所引起的顶板冒裂带发育高度能够达到己_(16-17)煤层,满足释放己组煤层瓦斯的裂隙要求;底板采动破坏深度最大为24.5 m,破坏裂隙会成为灰岩承压水进入矿井的导水通道,突水系数超过临界值。为确保24130首采面的安全生产,设计并实施了水害综合探查、疏水降压、完善排水系统、安全带压开采等综合防治水措施。该首采面成为平顶山矿区以开采下保护层释放己组煤层瓦斯和成功防治灰岩承压水的示范性工作面。

远距离保护层开采卸压机理数值模拟分析

应用含瓦斯煤岩气固耦合模型(RFPA-GAS)系统对淮南远距离保护层开采进行了数值模拟,分析了采动过程中煤层上支承压力的分布规律以及采动过程对被保护煤层透气性的影响,用数值模拟方法分析了淮南远距离保护层开采卸压机理。

近水平远距离下保护层开采卸压范围

为了确定晋城矿区保护层开采的卸压保护范围,采用相似模拟、现场实测的方法,研究了保护层开采过程中被保护层的竖向变形规律,得出了保护层开采的有效卸压范围,为相似条件下保护层开采及被保护层巷道布置提供依据。研究表明:保护层开采后,被保护层煤体出现明显的竖向变形,沿工作面推进方向上依次分为压缩区、膨胀区、卸压膨胀区、膨胀区、压缩区;沿煤层上山方向的有效卸压保护角为81.6°,下山方向的有效卸压保护角为79°,走向有效卸压保护角为67.7°;在工作面后方37 m以远,3#煤体膨胀逐渐趋于稳定膨胀值为93 mm,膨胀率为1.55%,煤体卸压充分。

生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度

为保护生态脆弱矿区的生态潜水位,对采煤保护土层厚度的合理厚度进行研究。基于地下水动力学,分析了采动潜水位越流变化机理,并采用水-电相似模拟技术,模拟了采后不同有效隔水层厚度及其物理特性条件下潜水位变化规律。研究结果表明:煤炭开采,越流水位差越大,采后有效隔水层隔水能力越差,采动潜水位降深越大。研究区典型地质条件下,采后有效隔水层为42.6 m的离石黄土或21.0 m的保德红土时,潜水不会显著漏失。多种软件耦合实现了煤炭开采工作面水-电相似模拟,得到了研究区典型采矿地质条件下不同有效隔水层厚度与潜水位降深的关系,水-电模拟结果与理论研究结果相吻合,并得到了工程实践的初步验证。

孟加拉国Barapukuria矿厚煤层分层协调减灾开采模式

针对孟加拉国Barapukuria矿井开采中的顶板水害、冲击地压、煤层自然发火等危害矿井安全的灾害问题,在分析矿井“三厚二硬一强”地质特征及UDT强含水砂层水害、厚硬顶板断裂强冲击灾害和厚煤层多分层开采采空区遗煤的易自然发火灾害的致灾条件,LDT隔水层隔水性能和覆岩结构关键层稳定性的控灾条件的基础上,提出了厚煤层分层协调减灾开采理论。应用协调减灾开采理论、原理,构建了孟巴矿厚煤层分层协调减灾开采模式和顶板水害上保下疏,冲击地压动静转移和自燃火灾时空适配的多灾源防控技术体系,实现了孟巴矿厚煤层多分层安全开采。通过在孟巴矿的应用与实践表明,厚煤层分层限厚开采能够充分利用覆岩结构控灾机制,避免厚硬顶板整体断裂冲击灾害发生;厚煤层分层协调错距布置方法开采,能够分散转移厚煤层边界高应力、避免覆岩拉伸区叠加破坏,有效保护隔水层的完整与隔水性;厚煤层分层整体错距协调开采方式,能够有效释放上分层采空区煤柱应力,实现覆岩整体快速沉降,密实覆岩垮裂带空隙,降低采空区自然发火危险性。在多灾害叠加的矿井开采条件下,应用协调减灾开采方法能够从源头控制开采致灾强度,与常规灾害防治方法相结合,能够起到更明显的灾害防治效果。

开采保护层覆岩裂隙演化规律模拟

为提高瓦斯抽采率和揭示保护层采动覆岩裂隙演化规律以及定量分析保护层卸压增透范围,将覆岩裂隙定义为具有开裂损伤功能的粘结单元,利用ABAQUS开发了粘结单元本构关系,建立了采动覆岩砌体结构内聚力模型,进行了粘结单元表征下的保护层采动裂隙演化数值模拟,通过粘结单元损伤程度分析采动裂隙发育状态,根据裂纹的连通状态界定采场覆岩损伤破坏区域,并得到了采动卸压范围及渗透率分布规律,采动裂隙演化规律模拟结果与实验一致,验证了覆岩砌体结构内聚力模型的精准性.

新型混凝土喷层试验研究及工程应用

根据聚丙烯纤维混凝土结构力学原理,研究聚丙烯纤维混凝土喷层在煤矿锚喷巷道支护中适用性,结合淮北桃园矿区典型锚喷巷道工程,完成聚丙烯纤维混凝土喷层的合理配比及抗拉、抗压、抗剪等指标的室内试验。数值模拟结果表明,与普通混凝土喷层相比,聚丙烯纤维混凝土喷层中的应力分布较均匀,有较好的让压能力;工业性试验证明聚丙烯纤维混凝土喷层抗拉强度高、韧性好、回弹量低及工艺简单等特点,具有较高的推广应用价值。