采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。

采动裂隙椭抛带内瓦斯运移理论基础

研究采动裂隙椭抛带的基本性质及其采空区瓦斯运移的规律,可以采取有效措施进行瓦斯治理。根据五阳煤矿7601综采工作面上覆岩层的特性与工作面在推进过程中的矿压显现特征,确定了采动裂隙带的高度、切眼上方椭抛带的高度、采动裂隙椭抛带内煤与岩碎胀系数,并计算出其渗透率。该研究为建立数值模拟的分析模型提供依据。

覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究

在综放开采富含瓦斯厚煤层条件下 ,分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂隙带分布形态的影响 ,首次提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布 ,为合理确定瓦斯抽放方法及参数提供了理论依据。

采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析

煤层开采后,覆岩采动裂隙分布特征与卸压瓦斯抽采密切相关。基于相似原理,进行了覆岩采动裂隙分布特征的物理相似材料模拟实验。根据实验中裂隙带及压实带的拟合曲线,说明覆岩采动裂隙分布特征是椭抛带形态。通过观测覆岩裂隙的裂隙密度、离层率、带宽及碎胀特征,进一步研究了采动裂隙椭抛带的发育、发展规律。最后在试验分析的基础上,推导出采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型,为确定合理的卸压瓦斯抽采钻孔终孔位置提供了依据。

顶板巷道的椭抛带内瓦斯排放方法

在分析采动裂隙椭抛带的形成、动态变化特征和其内瓦斯运移形态以及顶板巷道排放瓦斯原理的基础之上,探讨了在采动裂隙椭抛带内布置顶板巷道的合理位置。以靖远煤业公司魏家地矿为例,阐述了顶板巷道排放瓦斯的效果,证明了其是高瓦斯矿井管理采空区瓦斯的有效方法。

倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术

为了研究倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区演化规律的煤层倾角效应,运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法,开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究,得到了靶向区破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比以及裂隙分形维数随煤层倾角变化的演化规律,进而建立了靶向区演化煤层倾角效应模型。结果表明:破断裂隙宽度呈现采空区两侧边界区域大于中部,低层位大于高层位的分布特征,同时破断裂隙宽度受铰接梁影响较强,随着煤层倾角的增大(0°<15°<30°),在第1层铰接梁所在层位上部邻近区域破断裂隙宽度相比下部邻近区域大幅度减小,仅有下部邻近区域的52.8%,64.3%以及71.1%;瓦斯运移优势通道带内离层裂隙面积占比呈现底部最大,顶部次之,中部最小的分布规律;上覆岩层裂隙分形维数整体呈现先减小后增大的现象;基于第1层铰接梁与裂隙分形维数极小值点所在层位两侧裂隙演化规律差异明显,将瓦斯运移优势通道带按空间层位上的高低依次划分为低层位靶向区、中层位靶向区和高层位靶向区。最后,基于采动裂隙椭抛带理论,在工作面侧瓦斯运移优势通道带基础上,建立了考虑煤层倾角因素的倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区空间形态数学方程,形成了靶向区卸压瓦斯抽采方法选择依据,为优化倾斜厚煤层工作面卸压瓦斯抽采布置参数提供参考依据。

采空区瓦斯抽放钻孔终孔范围确定方法研究

为提高采空区瓦斯抽放效率,通过对覆岩采动裂隙椭抛带和"竖三带"理论的分析,建立了数学模型,并分析了采空区瓦斯运移形态,提出了采空区瓦斯抽放钻孔终孔应布置在内外抛椭带之间,同时也应位于该区域上覆岩层的裂隙带下部及规则冒落带上部。温庄矿采用此方法改造了150301工作面采空区瓦斯抽放钻孔,结果使瓦斯抽放量达到7.2 m3/m in,且工作面风量由原来的2 050 m3/m in降低至1 500 m3/m in,解决了上隅角瓦斯超限的难题,保证了生产的正常进行。

煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后 ,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响 ,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布 ,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论 ,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。

水平工作面老顶初次来压步距计算及瓦斯抽放巷道位置确定

以黄沙矿2上煤层为工程背景,采用结构力学中的力法对试验工作面的老顶初次垮落进行了力学分析。通过建立老顶—工作面基本力学模型,分析老顶首次破断时的极限弯矩,得出老顶初次垮落步距l的求解方程,计算出老顶初次垮落步距为22.4m,并利用采动裂隙椭抛带理论为瓦斯抽放巷道位置的选择提供预测和理论支持。

综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析

为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应,运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法,开展不同采高(2,4,6 m)、不同推进速度(3,5,7 m/d)以及不同煤层倾角(0°,15°,30°)条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律研究,得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度以及煤层倾角变化的演化规律。结果表明:采空区覆岩"三带"高度随着工作面采高的增大、推进速度的减小以及煤层倾角的增大呈线性增大趋势。采空区上覆岩层离煤层顶板越远,其贯通度越小,并在达到一定高度后,出现迅速减小的现象。受更高层位岩层的挤压以及两侧煤壁的支撑作用,覆岩离层率呈现两侧高于中部的"马鞍形"。构建出以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增以及断裂带发育高度为依据的综采工作面覆岩压实区边界判定准则,得到不同开采条件下覆岩压实区整体发育形态,进而发现采高对压实区影响主要表现在高度方面,煤层倾角对压实区宽度和对称度的影响较大,推进速度对压实区的高度与宽度都有较为明显的影响。基于采动裂隙椭抛带理论,结合物理相似模拟试验结果,构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型,并结合工程实践,有效提高了现场瓦斯治理效果,保证了工作面的安全回采。

天池煤矿401工作面瓦斯综合抽采技术研究

针对天池煤矿401工作面煤层瓦斯含量较大的问题,提出利用煤层预抽平行钻孔及高抽巷等方法来解决瓦斯对工作面回采时的影响。通过现场实测,分析得到了煤层瓦斯平行钻孔合理的间距及预抽时间。基于采动裂隙椭抛带动态演化规律,得出高抽巷合理的布置参数。实践表明:平行钻孔预抽煤层瓦斯后,瓦斯含量降低至8m3/t以下;利用高抽巷抽采卸压瓦斯,抽采浓度为50.4%,抽采瓦斯纯量平均67.3m3/min;工作面瓦斯抽采率71.2%～85.49%,平均80.42%,回采期间未出现瓦斯超限现象。

基于简单梁计算方法的煤矿采空区覆岩移动变形分析探讨

煤矿采空区覆岩移动与裂隙演化特征直接影响采空区场地稳定性。通过将裂隙椭抛带理论引入简单梁计算模型来确定岩层移动性状,并结合UDEC数值模拟,对覆岩移动与离层裂隙演化特征进行验证性描述。结果表明:简单梁计算模型与关键层理论具有一致性,岩层下沉整体表现为抛物线型。岩层移动过程中,伴随着裂隙椭抛带的形成,离层裂隙形态在岩层破断垮落前,表现为抛物线型;垮落后,转变为马鞍型。理论分析与研究成果可为采空区治理设计与施工提供理论参考。

主焦煤矿高位抽采问题探讨

以采空区上覆岩关键层理论、O型圈理论及采动裂隙椭抛带理论为基础,分析受工作面开采扰动后在采空区三维空间上构成的采空区上覆岩层中内外椭抛带之间形成的帽状采动断裂带的最佳高位钻孔抽采区域,并以主焦煤矿2308综放工作面的实际抽采设计、数据为辅助,佐证了该理论的正确性,并得出主焦煤矿2308综放工作面高位钻孔抽采的最佳水平位置应为距上隅角沿工作面倾向24~30 m的范围内。综合分析上覆岩动态冒落下,高位抽采的终孔位置选择与采空区漏风规律、采空区裂隙的发育程度及其关系,为同类型煤矿的安全生产提供借鉴。

采高对采动卸压瓦斯富集区影响的试验研究

为研究采动覆岩中卸压瓦斯富集区的影响规律,以采动裂隙椭抛带理论为基础,建立采高影响下采动卸压瓦斯富集区的模型,运用物理相似模拟试验方法,以山西某高瓦斯矿井主采工作面为原型,揭示综采工作面采动卸压瓦斯富集区的采高控制机理。研究结果表明:随着采高的增大,三带高度也逐渐增大,采高与采动覆岩裂隙的三带高度呈现线性关系,采高与三带高度的拟合曲线斜率处于2~4范围之间。而随着工作面推进,上覆岩层逐渐形成了压实区和裂隙区,压实区随着采高的增大而变小,裂隙区随着采高的增大而变大。通过对不同采高的各岩层的离层量拟合关系分析,发现不同采高开挖后形成的裂隙形态呈现对称的椭抛面,最后通过拟合关系建立了采高影响下的二维采动卸压瓦斯富集区的模型,为采动覆岩卸压瓦斯富集区的识别提供一定的理论基础。

近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究

采用物理相似模拟实验及理论分析,研究单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布与演化规律、支承压力分布特征及采动裂隙椭抛带形态。研究结果表明,上覆岩层在重复采动条件下,形成破断裂隙和离层裂隙,两者联通后在空间形成不同于单层煤开采的覆岩裂隙椭抛带展布;下层煤回采期间,随工作面的推进,工作面附近的应力峰值与煤壁距离保持相对稳定的状态;在重复采动双重卸压条件下,覆岩裂隙经历了产生、扩张、压实、再扩张、再压实等5个动态变化阶段。最后在实验分析基础上,建立近距离煤层重复采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型。

基于覆岩裂隙分布特征的低位钻孔布置研究

针对宏岩煤矿回采初期矿井瓦斯治理问题,通过理论分析以及工程实践等方法,以矿井实际为基础,确定了低位抽采的布置方案,保证了矿井安全高效回采。通过实践验证:低位钻孔布置技术对矿井瓦斯治理有很好的效果,可以有效的遏制矿井瓦斯超限问题,为同类型矿井提供了技术基础。