浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理,以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景,采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法,研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征,分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律,建立了“煤柱-间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型,得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明:煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段,后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源;工作面进煤柱初期,煤柱应力表现为双峰;临近出煤柱时,应力集中为单峰,位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后,煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00,间隔层开始产生超前裂隙;出煤柱5 m时发生强矿压,煤柱应力下降43%。强矿压期间,煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%,表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算,得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式,按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架,按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架;煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%,仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此,为防止压架,支架额定工作阻力需达到15 MN/架,或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理,以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

低透气性突出煤层群首采层水力割缝卸压抽采技术研究

针对中近距离松软低透气性突出煤层群抽采防突难题,以皖北矿区任楼煤矿突出煤层群瓦斯地质条件为工程背景,在对松软煤层水力割缝卸压增透机制、首采层割缝工艺参数等研究的基础上,提出了首采层煤巷条带水力割缝卸压增透、煤层群瓦斯联合抽采的综合治理技术,优化了钻孔布置方式,并进行了工程应用。结果表明:割缝实施后钻孔的瓦斯抽采浓度、单孔日均抽采纯量分别是常规钻孔的4.27倍、3.94倍,煤层透气性提高了22~31倍,首采层72号煤层割缝后的防突有效半径可提高至5 m以上,检验抽采半径5 m处的瓦斯含量指标为4.13 m 3/t,在有效解决首采层煤巷条带瓦斯灾害的同时,钻孔工程量降低了2/3以上。

覆岩应力-漏风综合影响下浅埋煤层群下煤层开采巷道布置研究

针对浅埋近距离煤层群上部遗留煤柱影响下的下部工作面巷道合理布置位置确定问题,以活鸡兔井为例,采用离散元方法(DEM)模拟研究了遗留煤柱底板应力分布与上、下煤层开采采空区裂隙发育特征。结果表明:12号煤层开采过后,22号煤层水平距上覆煤柱20 m内为垂向应力与主应力差增高区,22号煤层水平应力在区段煤柱内侧较低;下煤层巷道布置采用外错式与重叠式时,巷道两侧围岩主应力差较大,且外错式与重叠式布置方式下22号煤层工作面开采时夹层与上部老空区覆岩二次运移剧烈,采空区两侧斜向裂缝带发育与贯通较好;采用内错式,巷道两侧围岩主应力差随与煤柱距离增大先降低、后升高,在距煤柱25~35 m处主应力差达到最低,且该布置方式下上部采空区覆岩沉降均衡,裂缝带闭合性较好,极大阻止了地表与层间贯通漏风通道的发育。

缓倾斜近距离煤层群重复开采“两带”高度研究

以四川省石屏一矿缓倾斜近距离开采工作面为工程背景,针对重复开采中缓倾斜近距离煤层的“两带”高度发育问题,采用FLAC^(3D)数值模拟与经验公式计算的方法进行研究。对工作面开采之后引起上覆岩层塑性区的变化特征进行了分析;确定了重复采动下“两带”的高度;并与经验公式进行对比验证;得出在重复采动情况下“两带”高度并不是简单的相加,而是存在一种叠加效应。通过该研究,进一步探索了缓倾斜近距离煤层群重复开采情况下“两带”高度的发育问题,为缓倾斜近距离煤层群安全开采提供了依据。

近距离煤层群重复上行开采岩移规律初探

为解决近距离缓斜煤层群受重复采动影响的上行开采可行性问题,根据新安煤矿南区煤层群工程地质情况,综合运用理论分析、物理相似模拟等方法,对2^(-3)号煤下部煤3、煤4、煤5不同顺序开采后2^(-3)号煤的连续性和完整性进行探究,分析煤层群开采后覆岩垮落特征及岩层下沉变形规律,论证煤层群上行开采的技术可行性。研究结果表明,2^(-3)号煤位于下煤层裂隙带范围内,在重复采动影响下仍能保持较好的连续性,未产生台阶错动,满足上行开采所需的条件。

近距离煤层采空区下厚煤层开采强矿压机理及控制研究

针对近距离煤层采空区下W1701厚煤层工作面开采顶板强矿压现象,利用物理相似模拟实验、理论分析及数值模拟实验,研究了一次采全厚条件下W1701工作面顶板强矿压诱发机理及控制对策。研究结果表明:W1701工作面顶板受其上方“高位关键层(硬岩)-巨厚软弱岩组-低位关键层(硬岩)”覆岩结构破断运动影响,顶板呈现大周期、小周期来压变化,其中,低位关键层“砌体梁”结构性失稳形成小周期来压,巨厚软弱岩组纵向裂隙周期性贯通并发生台阶下沉,形成大周期来压,大周期来压造成工作面顶板支承压力跳跃式突增,支架载荷高达67248kN,是支架额定工作阻力的3.7倍,极易将整个工作面支架压死,并引发重大生产安全事故。对于准南煤矿此类近距离多煤层采空区下厚煤层不宜采用一次采全厚开采,宜采用分层开采,分层开采使得高位关键层、低位关键层之间的巨厚软弱岩组产生了分次破坏,工作面来压相对于一次采全厚有效缓和,能够有效避免工作面强矿压事故。

极近距离煤层群下煤层开采巷道支护技术研究

极近距离煤层群开采导致下煤层顶板破坏严重,支护难度增大。为了研究下煤层巷道顶板支护最佳方案,以甘庄煤矿11和14号煤层开采为背景,通过岩石力学实验、现场窥视和理论计算得到了巷道的理论支护方案,采用数值模拟的方法对理论支护参数进行模拟分析,并在现场展开监测。研究表明,14号煤层理论计算支护参数为锚杆φ18 mm×2 000 mm的螺纹钢,间排距1 200 mm×1 100 mm;锚索φ15.24 mm×4 000 mm的钢绞线,间排距为2 400mm×1 100 mm,根据巷道垂直应力和垂直位移云图得到最优支护方案,并进行现场监测验证。该研究为后续巷道的支护提供了理论依据,并为类似地质条件提供了一种解决方案。

高位钻孔在黄白茨煤矿瓦斯治理中的应用

以黄白茨煤矿020913综采工作面为研究对象,通过分析近距离煤层群采空区瓦斯涌出来源及采动覆岩裂隙场分布规律,针对性地选择高位钻孔作为工作面瓦斯治理的主要措施。通过理论计算,初步得到高位钻孔布置参数。为了将进一步得到高位钻孔最佳布置参数,通过对比分析不同层位高位钻抽采浓度变化规律,根据现场考察结果,得到了020913综采工作面高位钻孔最佳布置层位。现场实践结果表明,在距煤层顶板25 m层位布置高位钻孔抽采效果最佳,采用高位钻孔抽采后,020913工作面回采期间回风流瓦斯浓度最大为0.52%,上隅角瓦斯浓度不超过0.6%,达到了预期的瓦斯治理效果,切实保障了矿井的安全生产。

突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

我国煤层具有地应力大、渗透率低、瓦斯压力大、瓦斯含量高等特点,煤与瓦斯突出灾害严重。因此,需采取有效瓦斯治理措施,而单一井上瓦斯抽采技术容易出现抽采盲区,导致抽采效果不佳;单一井下瓦斯抽采技术工程量大、周期长,难以在短时间实现煤层消突。通过将井上与井下瓦斯抽采技术相互联合,实现井上下联合防突,是保障煤炭安全开采的关键技术之一。而在煤层群矿井中,需针对煤层间距离的远近采用不同的井上下联合防突模式,实现煤层群快速消突。对此,基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势,阐明了井上下联合防突“时空转换-优势互利”的内涵。井上地面井长时间、广覆盖抽采瓦斯实现煤层降突,换取井下作业空间,实现“时间换空间”;井下钻孔在井下作业空间内,精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突,缩短目标区域消突时间,实现“空间换时间”,提升煤层瓦斯治理效果。针对近距离煤层群层间采动影响大等特点,提出了近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群采动卸压范围小等特点,提出了远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。自主研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术,并以沙曲一矿与朱集西矿作为近远距离煤层群矿井典型案例进行应用效果分析。应用效果表明:在近距离煤层群沙曲一矿中释放抽采达标煤量约80万t,高效抽采瓦斯量约420万m^(3)。远距离煤层群朱集西矿中井下钻孔工程量减少约60%,抽采达标时间缩短约40%。

近距离煤层群开采下位煤层回采巷道合理布置的研究

为探究近距离煤层群开采下位煤层回采巷道合理布置位置,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,分别对上位煤层开采后底板破坏深度、残留煤柱在其底板中的应力分布、下位煤层回采巷道合理布置参数及巷道围岩变形量进行研究。结果表明:上位6#煤层开采后其支承压力对底板破坏深度可达21.24 m,其破坏已经达到下位8#煤层底板;上位煤层遗留煤柱边缘与下位煤层应力降低区的水平距离为10.45 m,下位煤柱支承压力峰值处与其巷道边缘的距离为4.47 m,从而确定8#煤层开采巷道内错15 m的布置方案;根据巷道围岩位移监测,其顶底板和两帮移近量最大为0.356 m和0.183 m,表明该布置方案下巷道变形较小,易于控制。

近距离突出危险煤层群卸压瓦斯抽采技术研究

近距离煤层群赋存分布较为广泛,开采条件下工作面回采期间瓦斯涌出来源多,瓦斯运移规律较单一,煤层开采更为复杂,亟需采取有针对性的技术措施。针对近距离突出危险煤层群开采时面临的“一层采动,多层卸压”和瓦斯治理困难等问题,本文以屯兰煤矿2号煤层为工程背景,利用FLAC3D软件模拟了工作面回采时的围岩应力场、位移场和塑性区分布情况,并以此为依据确立了上邻近层定向长钻孔的施工方案。研究成果表明,O形圈的宽度随煤层开挖的增加而增大。当屯兰2号煤层工作面开采进尺达到30 m时,O形圈范围已达15 m。卸压瓦斯大量解吸,且垮落带和裂隙带沟通了上覆煤层,并对上邻近层定向长钻孔抽采效果进行了考察,定向长钻孔瓦斯抽采量由最低的0.35到最高的1.03增加了65%、上隅角最高处浓度为0.58%相较最低处的0.16%下降了72%,由此可知,上邻近层定向长钻孔可有效减少上邻近层卸压瓦斯向采场空间涌出,实现煤与瓦斯高效安全共采。

近距离下煤层综放面覆岩结构特征及运动演化规律

针对近距离煤层开采时存在的上、下位基本顶特殊地质条件,运用“三带”理论分析了上煤层采后覆岩结构特征,得出下位基本顶周期来压步距22.09 m,上位基本顶处在弯曲下沉带不发生破坏。建立了下煤层开采时基本顶结构力学模型,计算得出下煤层开采时上位基本顶的周期来压步距31 m,下位基本顶二次破断步距12 m,下位基本顶两次周期来压后会发生上位、下位基本顶同时来压,从而在工作面表现出“强-弱-弱-强”的循环来压现象。矿压监测结果表明,工作面确实出现“强-弱-弱-强”的周期来压现象,在强周期来压时需要提前加强工作面支架稳定性控制以保障工作面安全生产。

某矿近距离突出煤层群首采工作面瓦斯治理技术研究

矿井瓦斯事故严重影响煤炭资源正常生产,针对高瓦斯矿井的瓦斯处理问题,采用经验总结、理论分析以及现场验证与实践的手法,对近距离突出煤层群首采工作面瓦斯治理技术进行了研究,具体分析了近距离突出煤层瓦斯分布特征,提出了穿层钻孔预抽采、工作面回采预抽采以及采空区埋管抽采的首采面瓦斯治理措施,并通过工程实践验证了瓦斯治理措施的可行性。

大桥沟煤矿近距离煤层群开采巷道支护设计

近距离煤层开采时巷道受重复扰动的影响会出现不稳定的情况。结合大桥沟煤矿的实际地质条件,对与9号煤层距离较近的10号煤层和11号煤层的回采巷道进行设计。当10号煤层与9号煤层的间距大于4.5m时,采用锚杆+金属网+短锚索联合支护的方式;当层间距小于4.5m时,采用锚杆+金属网+工字钢棚的联合支护方式。11号煤层宜采用以被动支护为主的架棚支护方式,并辅助以锚杆补强。

工作面邻近层超大直径钻孔瓦斯治理技术研究

在煤矿开采中,瓦斯仍然是影响矿井安全生产的关键性因素。万峰矿所回采的1号煤层距离邻近层较近,工作面回采后上邻近层直接垮落于采空区当中,成为采空区瓦斯主要来源,回采期间容易造成瓦斯超限。为了最大程度解决瓦斯涌出问题,选用三轴联动式双向螺旋钻机,在回采工作面邻近层布置22个大直径螺旋钻孔,钻孔宽×高为2 080 mm×800mm,孔深60 m,钻孔施工结束后及时封闭及预埋抽采管,利用顶板裂隙带对开采煤层采空区瓦斯进行抽采。通过该项技术的应用,能有效地将回采工作面回风流及上隅角中瓦斯浓度控制在安全范围内。

低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理模式研究

低透气性近距离强突出煤层群首采层打钻极易喷孔,引发瓦斯安全事故。以皖北煤电祁东煤矿II三采区为例,基于首采层7_1煤分段压裂水平井预抽煤层瓦斯改性效果和上区段8_2煤定向长钻孔拦截抽采下临近层9煤卸压瓦斯效果,提出了综合运用分段压裂水平井、定向长钻孔、地面钻井、多用底板巷、顶板走向钻孔等技术的瓦斯治理模式,可有效减少井下工程量,提高钻孔施工及抽采效率,保证煤层安全高效开采。该模式演变后可进一步减少巷道和钻孔工作量,有效缓解接替紧张压力。

平煤十二矿预埋管疏放老空水技术研究

老空区积水是威胁煤矿安全生产的主要因素之一。平煤十二矿的己_(15)煤和己_(16-17)煤为近距离煤层群,己_(16-17)煤层的工作面开采时受上覆己15煤和本煤层采空区积水影响严重,为了实现对采空区积水的有效疏放,在己_(16-17)-31050工作面开采时,在底板瓦斯抽采巷向己_(16-17)-31050工作面施工了钻孔,预埋了钢套管,直至相邻的己_(16-17)-31030工作面开采时,共计疏放出老空区积水56853 m^(3),保障煤矿的安全高效开采。

近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术研究

根据赤峪煤矿近距离煤层群开采及瓦斯含量在10 m3/t以上等特殊条件,采用近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术,利用在3号煤层的掘进巷道施工拦截钻孔,拦截钻孔抽采3号、4号煤层卸压瓦斯,降低回采过程中3号、4号煤层卸压瓦斯涌入2号煤层采空区的量。该技术通过在赤峪煤矿中央采区C1204工作面试验结果表明,底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术可替代底板抽采巷施工底板卸压钻孔,不仅有效的降低煤层瓦斯含量、压力,保证了工作面安全生产,同时节省了底板抽采巷因变形严重需要维修的费用。

宽沟煤矿近距离煤层群开采覆岩变形破坏数值模拟研究

为研究重复采动条件下覆岩变形破坏特征,采用数值模拟方法针对覆岩应力场、位移场、工作面超前支承压力分布特征进行分析,研究多次重复采动条件下围岩塑性区演化特征。结果表明:不同工作面的采空区同时形成应力拱壳结构;围岩支承压力峰值则整体呈现“先增大、后减小”的演化趋势。顶板下沉量受重复采动影响而不断增加,随着顶板塑性区与上层煤底板塑性区贯通,顶板产生大范围变形破坏。