深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法

瓦斯抽采钻孔围岩的破坏形态和范围对于瓦斯通道区域的联通具有重要影响。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论模型为基础,对深部煤与瓦斯共采中钻孔瓦斯导向通道进行了研究,结果表明:深部环境和采矿活动引起的"加载"与"卸荷"效应,会使钻孔围岩出现有利于瓦斯导通的"蝶形塑性区",蝶叶长度可达钻孔直径的几十倍以上。以"蝶形塑性区"理论为基础,提出了优质瓦斯通道的概念:通过协调采矿工程活动与瓦斯抽采钻孔布局,形成有利于瓦斯抽采的瓦斯导通和流动网络;并确定了以构建优质瓦斯通道的应力环境,确定钻孔布置岩层层位及协调采矿活动与钻孔时空关系为主要内容的优质瓦斯通道构建方法,以实现优质瓦斯通道的高效性、稳定性、长期性,提高瓦斯抽采效率。

高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究

根据上覆煤岩层的破断和裂隙发育情况,将穿层裂隙通道直径大于10-1mm的区域定为采动瓦斯通道发育区。基于砌体梁理论,研究了关键层控制下的离层断裂带瓦斯通道的发育特征,并基于Kozeny-Carman准则建立了瓦斯通道流态的判定方法,依据其内瓦斯的流动状态将上覆岩瓦斯通道的发育沿纵向由下到上分为瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,并根据离层断裂带瓦斯通道的发育规律,构建了以高位瓦抽采巷为主要手段的瓦斯过渡流通道区人工导流方法。最后通过以阳泉新景煤矿80201工作面卸压瓦斯抽采现场试验,反演得到了工作面上覆岩采动瓦斯通道的演化规律及其对瓦斯导向流动规律的影响,并对瓦斯过渡流通道区内瓦斯的流态进行了判定,验证了本文提出的理论计算方法和采动瓦斯通道分区的正确性和可行性。

综采长壁工作面推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制作用

基于采动裂隙椭抛带理论,确定了采动优势瓦斯通道带的上、下边界,构建了采动优势瓦斯通道带的时空形态理论模型。以淮北祁南矿34下采区为原型,开展了上覆岩采动瓦斯通道扩展数值仿真研究,发现优势瓦斯通道在上覆岩的空间位置随推进速度的增加而降低,发育高度、宽度和范围随推进速度的增加而减小等特征。以此为依据,对综采工作面推进速度加快后的高位钻孔参数进行了相应调整,并在祁南矿34下2工作面开展了卸压瓦斯抽采人工导流试验,现场试验结果验证了高位钻孔参数依据推进速度而进行的优化是合理的,从而也验证了本文提出的推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制规律是正确的。

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。

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前3区域属于细观流动通道,第4区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区:瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤(岩)层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。

不同采高下瓦斯通道卸荷损伤演化及抽采验证

为解决大采高采场及上隅角瓦斯超限问题,基于卸荷岩体力学分析了采高对采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化的影响,结合损伤力学建立了损伤因子与卸荷量及渗透率的关系,采用离散元软件计算了不同采高下采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化规律,根据卸荷后有效应力与渗透率关系研究了不同采高下瓦斯通道的卸荷损伤范围,提出利用大采高开采形成的优势瓦斯通道在中高位断裂带内采用大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯,并验证了瓦斯通道的贯通发育。结果表明:采空区顶板卸荷程度随采高增大非线性增长;采高越大,采空区顶板卸荷量及损伤因子越大,裂隙发育数量越多,采空区顶板渗透率突变点及瓦斯通道发育的高度越大;应用153 mm大直径钻孔抽采流量为96 mm的2～3倍,中高位瓦斯通道区钻孔抽采浓度约为中低位的2. 4倍。

煤岩体瓦斯通道的形成与演化规律

通过理论计算,结合现场经验,推断出了瓦斯通道随采动空间应力的重新分布而扩张与破裂原理,并根据煤体的不同状态拟合出采动煤岩体的应力-渗透曲线,得到采动煤岩体渗透系数随应力变化的曲线方程,从而获得瓦斯通道形成的空间位置与形态。

综采工作面“U”型瓦斯通道的研究与应用

分析了五阳煤矿综采工作面采空区瓦斯涌出规律,有针对性地采取了减少工作面瓦斯涌出量相应用措施,取得了明显效果。

黄陵矿区综采工作面卸压瓦斯流动通道研究及工程应用

利用高位钻孔抽采覆岩卸压瓦斯是高瓦斯矿井顶板瓦斯治理的重要技术手段,为了进一步提升高位钻孔瓦斯抽采效果,采用物理相似模拟分析了顶板采动裂隙形态分布特征,深入研究了采空区瓦斯宏观流动通道的形成及演化规律,并将其运用到Fluent模拟软件中,分析高位钻孔在不同抽采垂距、平距下对采空区瓦斯抽采效果的影响规律,进而提出高位钻孔抽采的优化技术参数。结果表明:通过物理相似模拟研究得到的试验工作面断裂带高度为68 m,垮落带高度为10.5 m;在水平方向上瓦斯宏观流动通道区、垂直方向上瓦斯过渡流通道区内布置高位钻孔将提高采空区瓦斯的抽采效率;结合数值模拟研究得到的试验工作面最佳抽采位置为距煤层垂直距离23 m,水平距离25 m。综合考虑工作面地质条件变化特征及钻孔施工,在同一垂直层位设置2个间距为10 m的抽采钻孔,并其使最佳抽采位置在2个钻孔之间,现场瓦斯抽采效果良好,保障了工作面安全回采。

煤矿工作面瓦斯流动时空关系研究

为了探究祁东煤矿工作面瓦斯涌出量的预测和瓦斯流动时空关系,提高煤矿安全生产水平。本文首先通过瓦斯实验参数、煤层赋存和工作面布置等信息,预测计算保护层开采工作面的瓦斯涌出量,并分析了邻近层的瓦斯涌出情况;其次,结合覆岩破坏形成的“O”型圈瓦斯运移通道,探究了瓦斯阻力的沿倾向和走向分布规律,揭示了瓦斯向上均匀流动的特性;最后,通过研究保护层工作面煤层瓦斯抽采时空关系,发现在工作面前方8 m至后方55 m区间的瓦斯抽采浓度和流量较大,进行穿层钻孔瓦斯抽采是最佳选择。研究结果为祁东煤矿瓦斯管理和安全生产提供了参考,具有一定的理论和实际意义。

煤层群瓦斯运移通道及富集区分布研究

以金佳煤矿金一采区煤层群下保护层开采为对象,通过相似模拟试验裂隙发育的变化情况来研究下保护层开采卸压瓦斯运移通道及富集区,得出了瓦斯运移和赋存随下保护层工作面推进的变化规律,用以指导煤层群开采时的瓦斯治理工作。

深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性

为解决深部近距离上保护层开采被保护层大量卸压瓦斯通过底板裂隙涌向首层采煤工作面极易造成瓦斯超限的问题,以平顶山天安煤业股份有限公司五矿为研究背景,采用理论分析、实验室实验、现场考察以及离散元数值模拟的手段,研究了深部近距离上保护层开采底板煤岩层裂隙瓦斯通道演化规律及下被保护层卸压瓦斯抽采时效性。研究表明:回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、卸压增透区和重新压实区,卸压增透区内煤体膨胀变形量大渗透率高,卸压瓦斯解吸扩散,底板采动裂隙使被保护层与采煤工作面贯通形成裂隙瓦斯通道。时间尺度上,卸压增透区的形成与上保护层回采到基本顶来压垮落时间段相对应,采动裂隙瓦斯通道伴随基本顶的破断垮落逐渐重新压实消失,卸压增透区范围在基本顶初次垮落前达最大值,回采推进期间与基本顶来压步距正相关。重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸荷、重新加载后可能出现损伤破坏,卸压瓦斯大量解吸引起煤体收缩变形,部分煤岩体受力比其原始应力更大出现压缩变形。卸压增透区是卸压瓦斯产生及运移的主要空间,也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区,瓦斯抽采工程需考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。

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。

含瓦斯煤样横向变形与瓦斯流动特性耦合关系试验研究

以二次成型煤样为研究对象,运用自行研制开发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对含瓦斯煤样三轴加载过程中横向变形和与瓦斯流动特性的耦合关系进行了试验研究。结果表明:弹性力学定义的泊松比不能准确表征含瓦斯煤样的横纵应变特性,其关系可用二次函数表征;在预加载荷引起的横压向应变恢复阶段瓦斯流动速度变化呈先急剧降低再缓慢增加特性;在横向应变逐渐向扩张应化转变阶段,煤样内部的瓦斯流动速度呈单调缓慢增加趋势,且存在一个内部结构临界状态点使煤样内瓦斯流动速度最小;含瓦斯煤样处于横向压应变状态起始时的瓦斯流动速度要大于处于横向应变呈扩张状态末端时的瓦斯流动速度。

全孔深大孔径插接花管瓦斯抽采技术

为了解决顶板钻孔无法做到全程下套管护孔和瓦斯抽采通道堵塞问题,研究出全孔深大孔径插接花管抽采瓦斯技术,充分利用ZDY-3200S型全液压钻机结构特点,采用全程下套管封孔技术,使套管可以与钻孔的轨迹保持一致,能够下到孔深的90%以上,实现"管到位"。大孔径插接花管大大增加了瓦斯流通的通道,有效解决了顶板钻孔在抽采过程中的堵塞现象,提高了套管的透气性,增加了瓦斯抽采流量,延长了钻孔有效抽采时间,实现瓦斯连续抽采。结果表明:该技术实现全孔深下套管连续抽采瓦斯,瓦斯抽采浓度基本不变,单孔抽采混合流量由1.4m^3/min提高到5 m^3/min,增加了3.5倍,有效地提高了顶板钻孔的抽采效果。

近距离高瓦斯煤层群首采工作面顶板裂隙发育规律研究

确定顶板瓦斯运移规律及其富集区是综合治理高瓦斯工作面卸压瓦斯的关键。本文对我国西部地区典型的近距离高瓦斯煤层群4.2m大采高工作面回采过程中顶板裂隙演化特征进行FLAC3D模拟,研究得出在工作面顶板覆岩10倍采高处,纵向裂隙和横向裂隙发育最剧烈且相互导通,形成高瓦斯富集区。此对大采高工作面卸压瓦斯的安全高效治理具有理论和实际指导意义。

穿层深孔爆破煤-岩界面装药增透试验研究

为了研究高瓦斯低透气性煤层穿层深孔爆破增透效果,以淮南丁集煤矿13-1煤层为工程背景,提出了煤-岩界面装药穿层爆破的方法,设计了爆破增透的实物模型,运用超动态测试系统分别实测了模型装药爆炸后煤与岩各层的爆炸波信号,观察了裂隙的分布情况。结果表明:应力波在界面处反射拉伸使煤-岩界面分离,岩层中裂隙与瓦斯抽采孔贯通,形成了立体网状的瓦斯通道,有利于瓦斯抽采,该技术为高瓦斯低透气性煤层穿层爆破增透提供了重要的理论依据和实用价值。

急倾斜综放开采顶板裂隙发育规律对瓦斯抽采影响研究

为了研究急倾斜走向长壁放顶煤开采顶板裂隙发育规律及其对瓦斯抽采的影响,结合弹塑性力学和断裂力学相关理论分析了急倾斜煤层裂隙扩展的力学准则,将瓦斯流动通道进行了分区:瓦斯孤立通道区、瓦斯过渡通道区和瓦斯网络通道区;对宝积山煤矿急倾斜特厚煤层走向长壁放顶煤开采在不同煤层倾角条件下上覆岩层裂隙发育规律进行了分析,得到了随着角度变化瓦斯流动通道区域形态的变化规律。研究结果表明:瓦斯网络通道区上部为高位人工导向通道贯穿的主要区域,该区域分布范围随着煤层倾角增大而趋于工作面上端头,其高度也增大;根据数值模拟和理论计算可确定瓦斯抽采方案,在工程实践中取得良好效果。