叠加开采应力及覆岩离层动态变化数值模拟

根据工程地质条件及其地应力实测结果,利用离散元法对工作面进行了采前岩体初始地应力状态数值模拟;沿工作面走向剖面上煤层(10,7煤)叠加开采应力场及其上覆岩层离层的动态变化数值模拟,再现了随着工作面推进应力场和离层动态发展的变化规律.并根据模拟结果进行岩浆岩及厚层砂岩能量积聚及动态破坏危险性分区预测分析.结果表明由于10煤先期开采,破坏了7煤煤系地层的原始应力状态,使部分岩层内有较大的应力集中;7煤回采破坏了岩浆岩的极限平衡拱根基,使其产生动力冲击失衡.这一现象恶化了7煤开采的覆岩应力条件,不利于7煤工作面的回采.

叠加开采裂隙场演化与优势瓦斯通道形成机制

为获得近距离煤层群开采时上覆岩层瓦斯(甲烷)通道的形成与演化规律,采用相似模拟方法研究裂隙场的演化规律与瓦斯通道的形成机制。结果表明:采动裂隙场随工作面的推进,非匀速扩展,来压期间的扩展比正常推进期间快;采动裂隙场与工作面的推进具有同步协调的关系,且裂隙场可划分为裂隙发育区、裂隙贯通区、压实区;近距离煤层群的叠加开采加剧了采动裂隙场的演化,形成了纵横交错的瓦斯流动通道,且瓦斯的流动能力在优势瓦斯通道区、优势瓦斯通道过渡区、一般瓦斯通道区中依次减弱。

叠加开采顶板变形破坏离散元模拟研究

为了研究叠加开采煤层顶板破坏高度发育规律,利用离散单元法模拟煤层在叠加开采过程中顶板变形破坏情况.分析了矿区水文地质和工程地质条件,建立离散元模型,并根据工作面开采情况进行模拟.模拟结果表明:叠加开采会导致煤层顶板破坏高度明显增加,有较大可能导通顶部的含水层,造成突水事故的发生.在开采前必须查清含水层的富水区域,对相应区域做好探放工作,以确保矿井安全生产.

近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究

围岩应力、裂隙分布特征是影响突出危险煤层瓦斯抽采效果的重要因素,为优化突出危险煤层群瓦斯预抽方案,以沙曲煤矿近距离煤层群开采为背景,采用相似模拟实验研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征。结果表明：3＋4号煤初采时,叠加采动的影响下,顶底板卸压程度较一次采动影响时高,但高卸压程度阶段持续长度减少,约105 m,底板最大应力降低值可达12 MPa,是保护层开采时最大应力降低值的1.5倍;进入正常推进阶段,仅距采空区两侧煤壁一定范围L内仍保持较高裂隙发育和应力降低程度,且较保护层开采时L值减小,20～30 m,采空区中部覆岩裂隙再次闭合,围岩应力出现恢复现象;工作面推进距离一定条件下,双重采动影响下顶底板卸压程度及裂隙发育程度较一次采动影响下明显升高;被保护层开采时,3＋4号煤同2号煤之间岩层破碎程度最高,裂隙最为发育,覆岩裂隙发育程度随工作面推进距离增加而升高,由于形成稳定顶板结构的随机性,覆岩裂隙频数程台阶式增长。最后将研究结果应用于沙曲煤矿高瓦斯煤层群开采时瓦斯抽采钻孔的布置设计,取得较好的抽采效果。

双重上保护层叠加开采应力分布规律

为获取双重上保护层重叠采动作用下的煤层卸压规律及保护层间的相互影响,以平煤八矿一采区为原型,采用FLAC3D软件模拟了丁、戊组煤层多工作面重叠开采过程。研究结果表明,仅丁组煤层开采时,采区边界煤柱对应范围出现应力集中现象,最大应力值达到19 MPa,影响范围达到下方80 m,不利于被保护层卸压。工作面间区段煤柱最大应力值达39 MPa,但向底板传递范围较小。丁组单独开展卸压区域能够影响至己组,己组煤层应力卸压值约为1 MPa;丁组、戊组煤层重叠开采,当戊组工作面位于丁组煤层区段煤柱下方,同时丁组工作面位于戊组工作面区段煤柱上方,使丁组煤层工作面间区段煤柱应力集中减弱利于卸压,丁组煤层区段煤柱应力值由39 MPa卸载至7.5~10 MPa之间;同时当己组煤层位于戊组单独保护范围时,垂直应力卸压值为2~3 MPa,当己组煤层位于丁戊共同保护范围时,垂直应力卸压值为4~6.5 MPa。

近距离煤层群叠加开采卸压效应的数值模拟分析

以金佳矿为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件对矿井中煤组11223和111811这2个工作面的先后叠加开采过程进行了数值模拟分析,得出了煤岩层的应力分布、位移变化规律及塑性区破坏形态.结果表明:叠加开采后在煤岩层中形成了的3个不同区域的应力,即煤柱、切眼及进回风巷的应力升高区、采空区中部的应力降低区和远离工作面的原始应力区;应力云图和位移云图的形态走向均为平顶梯形,倾向均为斜梯形;塑性区图走向为驼峰顶边梯形,倾向为圆顶斜梯形.叠加后形态基本未改变,但其范围有所加大.

巨厚火成岩下多煤层叠加开采顶板变形破坏特征

巨厚火成岩覆盖条件下多煤层叠加开采顶板覆岩破坏较单层开采复杂的多,为了掌握其发育规律,通过顶板工程地质特征结合井中测流、钻孔电视录象实测分析,并且利用离散单元法模拟分析煤层在叠加开采过程中顶板变形破坏特征,从而对顶板覆岩在采动过程中的离层裂隙空间分布等进行研究,总结出坚硬岩层覆盖条件下的多煤层叠加开采覆岩变形破坏的规律。

大倾角开采覆岩裂隙演化与瓦斯运移通道形成机制

为研究大倾角多重叠加开采下优势瓦斯运移通道的形成机制,通过搭建相似模拟试验平台对其覆岩裂隙场演化特征及瓦斯运移富集特征进行了研究。试验结果表明:由于煤层倾角的影响,煤层开挖后工作面倾向上方岩层垮落和破断较工作面倾向下方更为严重,呈明显非对称分布;大倾角多重叠加开采下,覆岩受到采动影响的岩层范围明显增加、裂隙数量增多。

顶板覆岩离层水体分布规律勘查研究

为研究顶板覆岩中离层水体的分布规律,运用注水井中测流、钻孔电视录像技术手段进行探查。通过对淮北某矿现场实测资料进行分析,受单层采动影响,顶煤层未采区段覆岩中形成真空离层带;受重复采动叠加影响,在顶煤层覆岩中产生离层带,并形成积水离层带,其分布面积是有限的。离层水体在垂向和水平方向上是不连轩的,是相对封闭的有限水体。对离层带的分布规律及其水文地质特征取得了基本的认识。

近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究——以山西吕梁沙曲矿区为例

为掌握近距离煤层群叠加开采的应力-裂隙-瓦斯渗流规律,构建近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系及动态评价模型,以山西吕梁沙曲矿区为研究对象,采用物理相似模拟、超声波试验及SF6示踪气体现场监测相结合的研究方法,分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点,探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律,建立了Boltzmann煤岩损伤方程,得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化-裂隙发育-瓦斯运移规律。研究结果表明:沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移,在近距离煤层群叠加开采条件下二次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加,而是“1+1>2”的影响效果,下伏煤层在叠加开采下产生了贯穿型裂隙,并在其周围衍生了大量的次生裂隙,为煤层瓦斯运移提供了优势通道;根据沙曲矿区煤-气共采不同阶段的时空条件和消突要求,分区分级优选并集成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系,即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气,在准备区采用多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采+底抽巷定向钻孔群抽采,在生产区采用大采高沿空留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术;通过分析煤与瓦斯共采的影响因素,提出了近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系,建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型,实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性的评价,得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为0.65、共采合理性等级为“较为合理”;最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题,展望了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。

近距离煤层群井上下联合防突模式及其效果动态评价

针对近距离煤层群缺乏系统有效井上下联合防突模式及动态评价方法的问题,以华晋焦煤沙曲一矿为工程背景,通过类似矿区突出信息统计分析得出其地应力-瓦斯潜能大、突出源分散、煤体强度及渗透性低的特点,采用理论分析,从多次采动应力叠加及高能卸压瓦斯运移两方面,揭示了煤层群叠加开采突出力能转移及启动机制,进而启发多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采的防突思路。采用系统分析及归纳演绎法优选集成了多煤层全时段的井上、下联合防突技术体系,即规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用地面井+被保护层定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大孔径钻孔抽采消突,松软低透煤层需增加可控冲击波、低压脉动水力致裂等疲劳损伤增透方法以强化消突效果,并通过现场试验确立其关键技术参数。同时,建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数,给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式,并确定各指标临界值。现场工程实践表明:①沙曲一矿井上下联合消突模式在规划时间内基本实现上部2号,3+4号煤层协同消突;②资源开采3阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%,整体动态转化率为70.5%,说明抽掘采衔接相对紧张,主要是准备区抽采防突效率低;③矿井优质煤炭产能释放量增加约80万t和煤层气产能提升420万m3。

义桥煤矿3305工作面断层防水煤柱安全评价

根据3305工作面与断层的赋存状态,利用FLAC^(3D)建立三维数值模型,基于采空覆岩“三场”演化规律数值结果,得到3305工作面停采线位置与YF20断层面间的距离不小于120 m,与现场实际留设YF20断层保护煤柱宽度相符合,说明数值模拟结果比较符合工程实践,实现了工作面断层防水煤柱安全评价。