多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术

戊9-10-22290工作面为平煤六矿三水平二采区的孤岛工作面,风巷外段在采掘服务期间将会受到上覆戊8及下伏五矿己组回采影响,采掘时空关系异常复杂。目的为探讨多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术,方法基于采掘工作面应力时-空演化关系,提出平煤六矿戊9-10-22290工作面风巷外段全生命周期内的围岩控制方法,并进行现场工程应用。结果结果表明:上覆近距离煤层开采后,巷道顶板出现拉剪破坏;本煤层和下伏煤层回采过程中,巷道将逐段受到超前支承压力作用;根据巷道围岩所处的扰动时-空过程和高应力环境,提出“高预应力高强锚杆+锚索+深孔爆破卸压”的抗压-让压-卸压相结合的综合围岩控制技术。现场工业性试验表明,巷道服务期间两帮最大变形量为347 mm,顶板下沉和底板鼓起均在可控范围内,能够满足矿井安全生产需求,取得较好的技术和经济效益,结论研究结果可为类似条件下的回采巷道围岩控制提供参考。

平顶山矿区多煤层卸压立体抽采模式与工程示范

平顶山矿区多煤层发育、含气层段多,仅靠井下进行瓦斯治理工程量大、难度高。为了开辟平顶山矿区瓦斯抽采新模式,达到“采一层抽多层”的目的,采用气测录井与含气量测试相结合的方法精准判识了煤系主要含气层段和含气量;采用体积法评价了东部5对矿井采动区和采空区的煤系气资源量。基于“O”形圈理论和“防-抗-让”思想,分别优化设计了采动井、采空井的井位、层位和井身结构,构建了采动区、采空区多煤层卸压立体抽采模式并进行了工程示范。结果表明:(1)二_(1)煤层顶板200 m范围内存在四煤组、三煤组、二_(1)煤层顶板60 m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段等3处主要含气段。平顶山矿区东部5对矿井的采动区和采空区资源量分别为26.36×10~8 m^(3)和20.00×10~8 m^(3)。(2)采动井最佳井位为0.17~0.28倍采长,且靠近回风巷条带区域;走向上,采动井的间距一般为80~100 m。创建了“大口径、避开岩体变形强烈区、P110梯型扣套管”的采动直井稳孔技术体系和“下行水平轨迹+提高套管强度”的采动L型水平井稳产技术体系,保证了产气通道的畅通性。采空井一般布置在距离回风巷30~50 m的区域,完钻位置一般为二_(1)煤层顶板40~60 m的范围;筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部。(3)建立了“地面采动直井/定向井-采动L型水平井-采空井”联作的卸压立体抽采模式,实现了多气源立体抽采。截至2024年4月30日,累计抽采纯量达5258.8万m^(3),总利用量达到3735.4万m^(3),率先在河南省实现了煤系气产业化开发,示范和引领带动作用显著。

河流下多煤层开采安全性及保护技术

我国新疆地区干旱缺水,艾维尔沟河作为新疆一条具有重要地理特征和环境影响的河流,其对于流经区域的经济、生态都具有重要意义,因此在艾维尔沟河下进行煤炭开采时,既要保证矿井安全也要保证河流的正常使用。采用理论分析、数值模拟等方法对河流下多煤层开采安全性及河流保护技术进行研究,通过理论计算得到多煤层开采条件下,覆岩导水裂隙带发育高度(11401工作面为41.9 m、1502工作面为110 m、11401工作面为113.8 m)并绘制剖面示意图;同时,采用数值模拟方法对覆岩导水裂缝发育形态及高度进行确定,最终基于导水裂隙带高度(117.8 m)与最小煤层埋藏深度(191.5 m)的相互关系,确定河流下开采是安全的可行的。在保证河流下煤层安全开采的前提下,通过分析离层注浆原理,并结合采动影响特征参数及工程现场,提出了以离层注浆为主,河道防渗及优化开采设计为辅的多手段对采动影响范围内地表特定目标的精准保护技术。根据实际采矿地质条件,采用概率积分法计算试采工作面开采前后河道位置处地表移动变形,计算结果显示:采用离层注浆精准保护技术后,河道的最大水平变形值(2 mm/m)未超出允许坝体的极限变形值(2.5 mm/m),所以采用离层注浆精准保护技术可以实现,井下安全开采的同时,保证河道的正常使用。通过对河流下多煤层开采的安全性及保护技术的分析研究,为矿山绿色开采提供参考和借鉴。

浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术。研究结果如下:(1)揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的“薄、中、厚”煤层交错分布协调开采技术;(2)提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;(3)通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝“土壤重构–原位充填–微地形改造”组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷。上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑。

西部矿区多煤层采动地表沉陷无人机观测方法研究

西部矿区煤矿开采具有浅埋深、薄基岩、多煤层开采、地表环境脆弱等特点,为化解开采地表沉陷传统观测方法覆盖范围小、作业强度高、自动化程度低等难题,引入无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)摄影测量技术观测并分析某煤矿工作面地表沉陷规律。结果表明:UAV摄影测量观测开采沉陷的中误差为4.4 cm,满足地表沉陷整体观测需求;获取的2.53 km^(2)测区范围内地表整体沉陷模型可准确反映矿区地表沉陷区域及沉陷幅度;受多煤层开采影响地表沉陷模型呈不均匀盆状,沿工作面走向、倾向沉陷曲线均呈现不对称现象,最大沉陷值3.18 m。

近距离多煤层下行重复采动覆岩变形与裂隙演化特征研究

随着地壳浅部易采煤炭资源的逐渐枯竭,复杂地质条件下的多煤层开采将成为新常态。由于多煤层开采对上覆岩体造成极大的重复扰动,导致覆岩的垮落、移动与裂隙演化规律相较于单一煤层开采更加复杂。为了研究多煤层下行重复采动条件下覆岩变形与裂隙演化特征,本文以陕北神府矿区张家峁煤矿4^(-2)煤层、4^(-3)煤层、4^(-4)煤层、5^(-2)煤层开采为研究对象,进行了几何相似比1∶100的相似模型试验和UDEC数值模拟研究。张家峁煤矿四层煤层下行重复采动物理相似模拟和数值模拟分析结果表明,周期来压步距随下行开采呈逐渐减小的规律,冒落带高度与煤层厚度正相关,4^(-2)煤层开采后导水裂隙带贯穿至地表,4^(-3)煤层、4^(-4)煤层、5^(-2)煤层开采结束后,导水裂隙带均贯穿层间覆岩。顶板围岩在反复拉伸、挤压作用下,破碎程度逐渐增大,且多为未闭合裂隙。研究结果可以为多煤层开采条件下的顶板管理和开采设计提供理论层面的参考和指导。

多煤层开采终采线外错对冲击地压影响机理研究

为研究冲击地压多煤层同时开采终采线外错对冲击地压的影响,以台格庙矿区地质条件为工程背景,采用FLAC3D对下部2-2煤层终采线与上部2-2上煤层终采线的6种不同错距进行数值模拟分析,基于模拟结果和理论分析研究了终采线不同错距煤层应力分布特征以及下部煤层终采线外错对上覆顶板铰接结构的影响。研究表明:当下部煤层终采线外错时,工作面超前应力集中程度增加,同时下部煤层开采可能破坏上部顶板铰接结构,造成变形失稳,动静载荷叠加作用使得下部煤层终采线外错后冲击风险大幅增加,由此提出了优化终采线位置、预裂上部煤层顶板和实施下部煤层卸压3种防治途径。

多煤层复合采动顶底板裂隙带发育规律研究

基于友众煤矿多煤层复合采动顶底板裂隙发育情况,分别采用理论计算、数值模拟和钻孔实测等方法进行研究,计算统计出150202工作面顶板垮落带发育高度分别为40.11~63.09 m、50.2 m、54~57 m,3种方式结果变化范围基本一致。结合矿井地质条件和研究结果可知,15号下煤层采动裂隙带在无构造区域内不会导通上覆3号、6号含水层,在贯穿性断层或陷落柱赋存区域内存在联通导水的可能性。因此,煤矿制定“物探先行、钻探验证、查清构造、上防下采”的防治水原则,为相关类型矿井生产提供依据。

多煤层开采顶板导水裂隙带发育高度模拟分析研究

针对由顶板覆岩破坏而导致的矿井水害问题,以A煤矿一、二水平工作面为工程背景,采用力学理论分析与数值模拟等方法,分析了该煤矿多煤层开采条件下导水裂隙带发育高度特征,探讨了9号煤层回采不同距离时覆岩运移特征。结果表明:在4+5号及8号煤层回采结束后的重复采动过程中,9号煤层导水裂隙带与8号煤层贯通;9号煤层斜长200 m,工作面割煤回采引起导水裂隙带发育高度约为144.95 m,对8号煤层导水裂隙带发育高度影响不明显,对4+5号煤层导水裂隙带发育高度造成一定影响。对复杂开采条件下顶板导水裂隙带发育高度的研究,对指导矿井安全生产,防治矿井水害有着重要的现实意义。

色连二矿多煤层开采对导水裂隙带高度影响的数值模拟探讨

导水裂隙带高度确定对煤矿水害防治及煤炭高效开采具有深远意义。为研究多煤层开采导水裂隙带发育规律,以色连二矿5号煤层为研究对象,采用理论分析和UDEC软件数值模拟的方法,研究色连二矿的3,4,5号煤层依次开挖对覆岩层导水裂隙带发育高度的影响情况。结果表明,运用数值模拟的手段预测的3、4和5煤层导水裂缝带高度分别为38 m、50 m和70 m,其中开采4-1上煤对3-1煤导高有一定影响,开采5-1上煤促进4-1上煤导高进一步增大,且影响程度较大,对3-1煤导高具有较小的促进作用。该成果为色连二矿5煤层安全高效开采提供了理论技术支持。

多煤层开采矿井中小断层的研究

以多煤层采掘资料为依据，通过对不同煤层间小断层特征的比较研究，论证了煤岩层岩性、厚度及组合对小断层发育的影响，丰富了煤层小断层的研究方法，对煤层小断层的预测有一定的指导意义。

基于Hoek-Brown参数确定方法的多煤层开采工作面矿压显现规律模拟研究

结合宁东矿区任家庄矿的生产实例,利用基于Hoek-Brown强度准则确定煤、岩体力学参数的方法,运用FLAC3D软件模拟分析了任家庄矿3号和5号煤层开采中的矿压显现规律,并根据现场工作面巷道围岩应力和表面收敛监测结果,对比分析了数值模拟结果的准确性。研究发现:基于Hoek-Brown经验强度准则所确定的煤、岩体力学参数与标准煤岩样的实验室测定值有明显差异,两者间并非简单折减关系,而与岩体结构特点、完整岩石强度和开挖影响等因素有关。现场多煤层开采中矿压显现规律的实测与数值模拟结果的比对,进一步验证了基于Hoek-Brown准则确定煤、岩体力学参数的有效性和合理性。

贵州织金区块多煤层合采煤层气排采制度研究

为了提高多煤层条件下煤层气资源动用规模,探索相应排采管控制度,结合织金区块煤层多而薄、层间距变化大、渗透率低等地质特征,分析了在实际开发过程中造成上部煤层裸露而下部煤层未解吸、单井产能低效的原因;通过对多煤层合采气井的排采控制与生产效果的对比分析,在探讨液面降幅、套压控制与产气、产水变化规律的基础上,明确了降压与解吸之间的耦合关系。研究表明:"低速-低套-阶梯式降压"排采制度满足多煤层合采技术要求,可以有效提高煤层气单井产能。

多煤层储层能量垂向分布特征及控制机理

研究多煤层储层能量垂向分布特征及其决定的含气系统性质具有重要的科学意义。基于油气田地质学及煤层气开采实践将煤储层空气渗透率1×10-3μm2(原地渗透率0.1×10-3μm2)作为划分具有统一压力的含气系统和无统一压力的含气系统的界限值,不同性质含气系统的储层能量具有不同的表现形式。以黔西织纳钻孔实测煤岩物性为分析资料,结果显示:该区代表岩性孔渗性极差,发育于三级层序边界的煤层空气渗透率小于1×10-3μm2,同时吸附性较强,形成无统一压力的含气系统,而其他煤层则单独形成具有统一压力的含气系统。多煤层垂向发育多套具有统一压力的含气系统时,则应优先开采侧压面较高储层能量较大的煤组段。多煤层储层能量垂向分异的决定因素是煤岩系的渗透性,其中含煤岩系酸性环境下的特殊成岩作用是岩层物性变差的主要因素。发育于最大海泛面附近的煤层镜质组分多,孔渗性较好,易于形成具有统一压力的含气系统。现代构造应力场大小是影响煤层渗透性的大小的重要因素。六盘水多煤层为典型的无统一压力的含气系统,而织纳部分区域含煤层组或单煤层为具有统一压力的含气系统。

多煤层条件下现今地应力特征与煤层气开发

我国煤层气资源较为丰富,滇东地区是我国长江以南著名的煤层气产区,其内雨旺区块二叠系煤层气资源丰富,具有可观的开发前景。现今地应力状态是影响煤层气勘探开发的重要地质因素,对有效开发煤层气资源具有实践指导意义。但目前对雨旺区块现今地应力的研究仅限于利用注入/压降测试数据开展的地应力大小统计学分析,没有揭示出多煤层发育区不同类型岩石内地应力分布的差异性。本次研究中,首先通过对成像测井资料的解译,揭示钻井诱导缝和钻孔崩落的发育特征,并基于其与地应力的关系确定雨旺区块现今地应力方向;然后再利用常规测井资料,在注入/压降实测地应力数据约束下,基于Anderson修正模型预测雨旺区块二叠系煤层现今地应力的大小及其分布规律。结果表明:滇东雨旺区块现今地应力方向整体呈现为近N—S的优势方位;煤层现今地应力大小随着埋藏深度的增加而增大,水平最大主应力(SHmax)、水平最小主应力(Shmin)和垂向主应力(Sv)大小总体上遵循SHmax≥Sv>Shmin的关系,水平应力起主导作用,表现为走滑型应力机制。在现今地应力场的控制下,雨旺区块内煤储层渗透性随有效地应力的增大而变差,煤层内走向为330°~150°的割理对煤层气开发贡献更大。走滑型应力机制会造成煤层压裂改造后形成的压裂缝沿垂向扩展。另外,雨旺区块煤层内水平应力差相对较小,一般在6 MPa左右,据此推测可在煤层内形成复杂压裂缝系统。本次研究量化分析了雨旺区块现今地应力状态,其结果可以为滇东雨旺区块煤层气勘探开发提供有益的现今地应力成果参考。

多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟

运用自行开发的岩层破断过程分析 (SFPA2D)系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。数值模拟结果表明 ,虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构 ,但岩层的垮落仍具有明显的周期性 ,地表的水平移动和垂直下沉仍具有明显的对称性 ;当垮落带高度达到上部煤柱后 ,可能出现大面积的垮落 ,产生较大的次生来压现象 ,从而影响下部长壁工作面的安全。通过和相似材料模拟以及理论分析结果的对比 ,本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动岩体的动态发展过程 。

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。

多煤层开采中间岩层对覆岩移动的影响研究

针对西部地区多煤层开采下组煤覆岩移动的问题,采用理论分析、数值模拟和现场验证的方法,研究了下组煤开采过程中,中间岩层厚度与岩性、中间岩层硬岩比例、上覆岩层与中间岩层厚度之比3个因素对覆岩移动的影响。通过理论分析计算了覆岩移动量,为工作面顶板裂隙发育高度理论计算提供了参考依据;利用数值模拟对覆岩移动及破断规律的模拟,验证了理论计算中采场裂隙发育高度及工作面硬岩破断距;最后通过现场实测顶板来压及破断数据验证了理论计算及数值模拟的有效性。研究结果表明:①提出了通过最大挠度与自由空间对比来计算裂隙带高度的方法。②工作面采高决定了顶板覆岩裂隙的发育高度,采高越大,其裂隙发育高度越大,且覆岩的性质对裂隙的发育也有明显影响。③下组煤开采过程中,上覆岩层与中间岩层厚度之比并不是控制覆岩移动的决定性因素,若中间岩层存在厚而硬的岩层,其覆岩移动剧烈程度将降低。④作为中间岩层,厚而硬的岩层的破断对上覆岩层移动起决定性影响。

多煤层开采相互采动的影响规律

针对平朔煤炭工业公司安家岭井工矿4号和9号煤层联合开采的特点,利用相似材料模拟和数值模拟两种手段研究了9号煤层开采对4号煤层工作面巷道的采动影响规律,以及在不同煤柱尺寸下9号煤层工作面推进过程中,4号煤层工作面巷道周围应力变化规律及巷道变形规律.同时优化煤柱尺寸,使4号煤层工作面巷道处于安全的采动影响范围之内.

河下多煤层安全开采顺序对导水裂隙带高度的影响

为研究河流下多煤层开采顺序对上覆岩层导水裂隙带发育高度影响的问题,根据1930煤矿煤岩物理力学指标及多个钻孔实测数据,采用理论分析和UDEC软件数值模拟的方法对位于河流下1930煤矿的4,5,6号煤层的不同开采顺序对上覆岩层导水裂隙带发育情况进行分析。结果表明:当开采顺序不同时,上覆岩层导水裂隙带高度不同;利用"三带"法、比值法对多煤层开采顺序进行判定,排除开采顺序在理论上不可行的方案;当按煤层4→5→6逐层开采时,导水裂隙带高度分别为54.2,74.3,74.3 m,按5→4→6顺序开采时对应的导水裂隙带高度分别为74.3,74.3,74.3 m;然后通过数值模拟方法对可行方案进行优化验证,当按煤层4→5→6逐层开采的导水裂隙带高度分别为54,78,128 m,按5→4→6顺序开采对应的导水裂隙带高度分别为76,83,60 m。最后确定按煤层5→4→6的上、下行混合顺序开采更为合理。