近距离煤层“上采下掘”巷道破坏分析及防治措施研究

“上采下掘”巷道主要受多次动压影响,矿压显现剧烈、支护难度大,上部煤层回采使得下部巷道准备困难,围岩变形加剧。本文以3201回风顺槽为工程研究背景,采用FLAC^(3D)软件,通过分析不同宽度煤柱垂直应力分布特征、下部巷道布置方式对其稳定性影响、相向“上采下掘”应力分布、时空关系等,为巷道布置、掘进提供设计依据。本研究方法可在类似条件的矿井提供参考。实践表明:“上采下掘”期间,巷道采用内错布置,上下进入扰动期后,停止上部回采,错峰施工,同时对下部巷道采取补强支护,可有效控制巷道的围岩变形。

上保护层双工作面开采卸压增透效应研究

针对中兴煤业2#煤层煤与瓦斯突出、被保护层工作面长度大、抽采能力有限等问题,提出了上保护层双工作面开采方式。通过理论计算、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了采用该方式时被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的分布规律,分析了2#煤层的卸压效果。结果表明:随保护层工作面长度的增大,卸压比例总体呈减小的趋势,当保护层工作面长度为110 m时,被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的卸压比例分别达到91%和87.4%。卸压后现场实测2^(#)煤层最大残余瓦斯含量和最大残余瓦斯压力分别降低为5.37 m^(3)/t和0.44 MPa,孔隙率增加到4.05%,煤层透气性系数增加到1.08 m^(2)/(MPa^(2)·d),最大膨胀变形量大于3‰,各指标均表明卸压增透效果显著。

急倾斜多煤层上保护层保护范围的数值模拟

针对急倾斜煤层上保护层俯伪斜开采的保护范围划定问题,采用三维快速拉格朗日法,通过模拟上保护层俯伪斜开采后被保护层的应力场及变形场的动态发展过程,确定了随着上保护层工作面的推进,被保护层的垂直层理面应力和煤层变形规律;根据上保护层开采后的应力卸压保护准则和煤层变形保护准则,确定了上保护层沿走向和倾向的保护范围.研究表明,急倾斜煤层俯伪斜上保护层开采后,上保护层俯伪斜采煤法沿倾向上、下边界的卸压角分别为81.5和74°;沿走向的卸压角在倾向上呈非均匀分布,大小为30~52,°伪倾斜工作面中部的走向卸压角最大,为52°.数值模拟结果与现场考察结果比较接近.

远距离下保护层开采上覆煤岩体卸压效应研究

运用计算机数值模拟方法,对远距离下保护层开采上覆煤岩体应力分布、被保护层卸压变形规律进行研究,得出下保护层开采被保护层应力分布特征、卸压范围、变形规律等.结果表明,下保护层开采后对被保护层可以充分卸压,卸压保护层角为50°左右,被保护层最大膨胀变形率为1.5%,被保护层产生膨胀变形使其透气性增大,创造煤与瓦斯共采的条件.研究成果应用于工程实践,取得了显著的技术经济效益.

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。

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。

上保护层煤柱引发被保护层冲击机理研究

长城一矿和峻德煤矿所发生的由保护层煤柱引发冲击的案例表明,保护层煤柱影响范围内仍属高应力区,且工作面上方都存在坚硬的顶板。通过分析两起事故中被保护层煤体的赋存条件,探究发生此类冲击的影响因素。研究表明,典型的保护层煤柱诱发冲击主要有以下两种情况:(1)大采深小层间距下,以"高静应力为主,低动应力诱发"型冲击;(2)中等采深大层间距下,以"高动应力为主、低静应力诱发"型冲击。静力系由煤柱传递的应力和层间岩体的自重应力以及保护层采空区的残余支承压力组成,动力系主要是本煤层已开采工作面形成的侧向支承压力。建立了判断发生冲击地压的评估方法,为此类矿井的开采提供理论依据。并提出了工作面位置设计、合理布置巷道、预前卸压、加强监测的防治措施。

间距对上保护层开采保护效果影响的相似模拟实验研究

为研究上保护层开采保护效果随层间距的变化规律,以南桐矿区作为实验背景,保持保护层倾向工作面开挖长度、煤层埋深、倾角、岩层物理力学性质相同,将层间多层岩层处理为复合岩层,分别进行近距离、远距离和超远距离上保护层开采相似模拟实验。综合分析被保护层卸压规律及基于被保护层垂直于层面的膨胀变形保护准则所得保护范围可知:上保护层开采被保护层卸压曲线呈"凸形",且"凸形"中心线偏向下山方向。随层间距增加,"凸形"底部被保护层小于原岩应力的卸压范围与"凸形"顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势;两者中心位置均向下山方向转移,且后者转移度大于前者;被保护层卸压曲线中卸压范围的卸压程度及应力集中范围的应力集中程度均呈减弱趋势;以垂直层面的膨胀变形量3‰确定的上下边界膨胀变形保护角均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中相应条件的卸压角,因此以该方法确定的保护范围相对《防治煤与瓦斯突出规定》偏于安全,且随层间距增加保护范围长度呈加速减小趋势。

UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律

为了研究中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律,运用UDEC 4.0离散元数值模拟软件,以郭庄矿为研究对象对中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究,并进行了现场验证.模拟结果较好地再现了中远距离下保护层开采过程中上覆岩层裂隙的发育情况和发育程度,揭示了被保护层瓦斯压力和瓦斯流量的变化规律.现场结果表明,中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.

关键层结构提前滑落失稳对浅埋近距离煤层出煤柱压架灾害的影响

针对神东矿区浅埋近距离下部煤层工作面出煤柱时频繁发生的压架灾害问题,综合采用理论分析、模拟实验与现场实测,从煤柱边界上方关键层结构稳定性角度,阐述了该结构在下部煤层工作面出煤柱前预先发生滑落失稳对压架灾害的影响规律。结果表明:下部煤层工作面出煤柱开采过程中,煤柱上方关键层破断后与采空区一侧已断块体形成的三铰式结构是不稳定的,它的相对回转运动向下传递的过大载荷是引发压架灾害的根源;若采空区一侧已断块体提前发生滑落失稳,则下部煤层工作面出煤柱等效于采空区下的重复开采,煤柱上方关键层破断后将无法与采空区一侧已断块体发生同步的相对回转,从而可有效减缓煤层间岩层的负载,最终对压架灾害发挥明显的削弱作用;据此提出了对煤柱上方关键层铰接结构提前实施爆破强放的防治对策,其有效性得到了模拟实验和开采实践的验证。

近距离煤层出煤柱矿压显现规律数值模拟

基于晋华宫矿浅埋近距离煤层7-4#煤8709工作面开采出上覆遗留煤柱的工程背景,以FLAC3D模拟软件模拟了近距离煤层工作面出煤柱时,覆岩垂向应力时空演化规律。结果表明:工作面在推进至距煤柱边界-12.5~0 m时,工作面覆岩垂直压应力值先急剧增大后缓慢减小;在距煤柱边界-5 m时应力集中系数达到最大值2.22,此时工作面极易发生大面积冒顶,甚至压架事故。

近直立特厚煤层上采下掘冲击地压危险性分析

为了确定新疆乌东煤矿近直立特厚煤层单翼工作面在上采下掘期间防止冲击地压危险发生的合理采掘相向安全距离,采用数值模拟、微震监测和现场实测的方法进行研究。基于数值模拟方法研究了上采下掘期间不同相向距离的应力演化规律和影响范围,根据微震监测和现场冲击地压案例分析了上采下掘与冲击地压危险关系。结果表明:上分层工作面与下分层掘进工作面相向的距离与煤体应力集中和微震事件发生频次呈正相关关系,该条件下上采下掘相向最小安全距离为100 m,上采下掘活动引起的煤体高应力集中和围岩剧烈活动是诱发下分层掘进工作面冲击地压显现的原因,通过采取及时停止下分层掘进的措施,成功地避开了掘进巷道冲击地压灾害,进而验证了分析结果。

远距离煤层开采工作面布置方式卸压增透效应

为了研究远距离煤层上行开采工作面布置方式对卸压增透效果的影响,根据潘二煤矿11223工作面地质条件,通过FLAC^(3D)数值模拟软件研究远距离煤层卸压开采应力场、位移场、裂隙场分布特征,并以卸压系数为判据,确定工作面卸压增透范围。研究表明:西二段工作面采用垂直布置方式,下方11223工作面开采会引起上覆11224工作面位移场、应力场发生明显变化,11224工作面中部卸压系数达90. 37%,卸压效果良好;东一段11224工作面采用风巷外错90 m、机巷内错90 m的方式布置,导致11224工作面下部卸压系数88. 97%,卸压效果较好,而在工作面上部卸压效果不明显。通过对比,可以确定远距离煤层上行开采时,工作面采用垂直布置可获得更好的卸压增透效果。

远程保护层开采上覆煤岩层移动规律

采用UDEC离散元数值模拟研究方法,对平顶山矿区远程下保护层开采条件下上覆煤岩层卸压特征、膨胀变形特征进行了分析。结果表明,在采动或重复采动作用下,上覆煤层卸压特征明显,透气性增加显著。

上保护层开采卸压保护范围研究

目前保护层卸压范围研究主要集中在分析煤层应力、变形和塑形破坏的演化特性及下保护层开采卸压范围,存在对保护层保护效果的考察较少、实测过程中取点较少造成实验结果误差较大等问题。针对以上问题,以淮南矿业集团有限责任公司潘二煤矿18125工作面为研究对象,采用数值模拟计算和现场考察分析方法研究了保护层开采后被保护层的应力分布、煤层顶底板膨胀变形率和煤层瓦斯压力变化特征。结果表明:①被保护层走向垂直应力呈中心轴对称分布,倾向卸压区表现为类椭圆形。②上保护层工作面开采后,在其底板形成地应力卸压区,底板煤岩层应力减小,卸压区煤岩层向上发生移动和变形,由于保护层和被保护层层间距不同,被保护层移动与变形量存在差距,越靠近开采层,被保护层膨胀变形量越大,被保护层卸压效果越明显。保护层工作面后方30~60 m是被保护层卸压抽采瓦斯的最佳区域。③根据瓦斯压力观测钻孔与保护层工作面初切眼位置的相对关系及瓦斯压力观测结果,得到保护层开采走向最大有效卸压角约为69.8°。④通过数值模拟并结合现场考察分析,根据被保护层应力分布、煤层顶底板膨胀变形率和煤层瓦斯压力变化特征,得出被保护层走向卸压角约为60°,倾向上下部卸压角均为75°。

水体下近距离煤层组安全煤(岩)柱的留设研究

为合理开发煤炭资源,最大限度地提高水体下煤炭资源的利用率,解放呆滞的煤炭资源,文章以姚桥煤矿近距离煤层组7、8号煤工作面为例,运用地质勘探、实验室土工试验和理论分析等研究方法,分析获得第四系松散层下部含、隔水层性质,从而确定了安全煤(岩)柱留设类型为防砂安全煤(岩)柱,进而合理确定了7、8号煤层安全煤(岩)柱合理留设尺寸及7、8号煤层的开采上限。

远程下保护层开采煤岩卸压效应研究

基于保护层开采覆岩移动破坏特征,分析了远程下保护层开采煤岩卸压的可行性,采用FLAC2D数值模拟软件对被保护煤层的应力分布特征、煤厚变形规律、水平位移规律、卸压范围及卸压角进行了研究。结果表明:下保护层开采时,断裂带高度已发育到被保护层,煤层产生膨胀变形,生成大量的次生裂隙,使被保护煤层产生不同程度的卸压,同时水平位移的产生也有利于煤层透气性增加。在走向方向上,被保护层向保护层采空区方向内错约30 m,煤层进入稳定膨胀变形区,走向有效卸压角的大小为66°左右。研究结果应用于工程实践后,淮南某矿13-1煤层瓦斯压力由原来的4.4 MPa变为卸压后的0.7 MPa,煤层透气性系数增大了1 061倍,表明该方法是较好的区域性防突措施。

孟加拉国Barapukuria矿厚煤层分层协调减灾开采模式

针对孟加拉国Barapukuria矿井开采中的顶板水害、冲击地压、煤层自然发火等危害矿井安全的灾害问题,在分析矿井“三厚二硬一强”地质特征及UDT强含水砂层水害、厚硬顶板断裂强冲击灾害和厚煤层多分层开采采空区遗煤的易自然发火灾害的致灾条件,LDT隔水层隔水性能和覆岩结构关键层稳定性的控灾条件的基础上,提出了厚煤层分层协调减灾开采理论。应用协调减灾开采理论、原理,构建了孟巴矿厚煤层分层协调减灾开采模式和顶板水害上保下疏,冲击地压动静转移和自燃火灾时空适配的多灾源防控技术体系,实现了孟巴矿厚煤层多分层安全开采。通过在孟巴矿的应用与实践表明,厚煤层分层限厚开采能够充分利用覆岩结构控灾机制,避免厚硬顶板整体断裂冲击灾害发生;厚煤层分层协调错距布置方法开采,能够分散转移厚煤层边界高应力、避免覆岩拉伸区叠加破坏,有效保护隔水层的完整与隔水性;厚煤层分层整体错距协调开采方式,能够有效释放上分层采空区煤柱应力,实现覆岩整体快速沉降,密实覆岩垮裂带空隙,降低采空区自然发火危险性。在多灾害叠加的矿井开采条件下,应用协调减灾开采方法能够从源头控制开采致灾强度,与常规灾害防治方法相结合,能够起到更明显的灾害防治效果。

祁东煤矿远距离上保护层开采保护效果分析

为了保障祁东煤矿具有突出危险的9煤层的安全开采,根据矿井煤层群赋存条件及突出危险性的情况,采取了远距离上保护煤岩层开采结合被保护9煤层底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采相结合的治理措施。结果表明,采取上述措施后,9煤层的瓦斯压力由3.3MPa降为0.2MPa,瓦斯含量由11.2m3/t降为3.2～6.5m3/t,煤层膨胀变形量达到1.7%,煤层透气性系数增大1484倍,达到了区域性防治9煤层煤与瓦斯突出的目标。

近距离上保护层工作面瓦斯涌出治理实践

为实现近距离上保护层5121(5)工作面安全高效回采,基于其薄煤层地应力主导型突出危险的特点,分析了工作面本煤层及邻近层瓦斯涌出情况,设计了5121(5)工作面沿空留巷Y型下行通风方式,研究了该条件下近距离上保护层工作面回采瓦斯运移规律,提出了顶(底)板穿层钻孔抽采、地面钻孔抽采、尾抽巷抽采等多种瓦斯抽采方式,考察了5121(5)工作面回采瓦斯抽排效果及瓦斯涌出积聚状况。结果表明:保护层工作面回采过程瓦斯体积分数低于0.6%,被保护层卸压瓦斯预抽率达70.1%,针对薄煤层地应力主导型突出危险采煤工作面应用下行通风技术是可行的,结合合理的卸压瓦斯抽排方法能够满足近距离上保护层工作面回采要求。