上软下硬地层盾构下穿既有隧道扰动变形研究

针对上软下硬倾斜地层中,盾构下穿既有地铁时的管片变形控制问题,以武汉轨道交通7号线下穿既有2号线工程为背景,采用三维数值模拟方法和离散元软件3DEC建立地铁2号线管片模型,同时使用FLAC3D软件进行三维数值分析,探讨新建隧道与既有隧道间距、地层倾斜和注浆填充对既有地铁及周边地层的影响。分析结果表明:既有隧道沉降值受地层条件和隧道间距影响显著,尤其在新建盾构隧道与既有隧道距离较近时;既有地铁管片加固和新建隧道注浆填充对控制上软下硬地层条件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降变形具有显著效果。在新建盾构隧道施工前需对既有地铁管片的前期变形量进行准确分析,确保既有隧道安全,且加固和注浆填充措施对于类似工程的变形控制至关重要。

高瓦斯厚煤层穿层钻孔瓦斯抽采方案模拟优化

针对五阳煤矿02工作面钻孔布置盲目、瓦斯抽采效率低等问题。建立了含瓦斯煤体的气-固-损伤耦合数学模型,并将其导入COMSOL中,模拟了穿层钻孔瓦斯抽采时不同钻孔间距下瓦斯抽采效果。结果表明:钻孔间距为6 m时,在规定时间范围内的瓦斯体积分数和压力都能达到安全要求。现场应用后,瓦斯抽采体积分数和纯量呈现先上升后下降的趋势,在整个监测期间最大抽采瓦斯体积分数为49.15%,最大抽采纯量为5.95 m^(3)/min,瓦斯抽采效果良好,避免了02工作面回采过程中煤与瓦斯突出的危险。

软流塑地层盾构隧道近接下穿运营线路的变形影响及控制技术

以南京地铁某区间盾构近接下穿运营隧道工程为依托,采用理论分析、模型试验、数值计算与现场监测等方法,研究软流塑地层中运营隧道在新建盾构隧道掘进全过程的变形特点。结果表明:左线盾构掘进完成后,运营隧道变形曲线为“V”形,右线盾构掘进完成后,运营隧道变形曲线由“V”形变为“W”形;数值计算与现场监测的沉降规律基本一致,最大沉降值分别为-4.36、-3.47 mm;洞内钢环+微扰动注浆联合加固措施,能够有效控制软流塑地层中盾构下穿引起的运营隧道沉降变形。

基于煤系渗透率各向异性测试的水平井穿层压裂效果模拟

应用自主研发的真三轴渗透仪,开展了煤样及顶、底板岩样的三轴渗透率测定。基于实验结果,通过有限元三维数值模拟方法,研究了渗透率各向异性对深部煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展的影响。模拟结果表明:1真三轴渗透仪可以实现三轴差异化应力加载,突破了常规拟三轴渗透仪无法分别加载水平最大主应力和水平最小主应力的瓶颈,可以使实验条件与地层条件更为接近。2高阶无烟煤与顶板粉砂岩的真三轴渗透率测试结果都呈现出明显的各向异性特征。无论是高阶无烟煤,还是顶板粉砂岩,垂直层理方向的渗透率都小于平行层理方向者。对于无烟煤,平行层理方向的渗透率也存在明显差别,垂直端割理方向的渗透率大于垂直面割理方向渗透率值。3考虑渗透率各向异性模型与均质模型相比,压裂模拟过程中,破裂压力和施工压力增高,孔隙压力叠加程度增大;模拟最终时刻的整体裂缝形态更加短宽,且缝高增大。

底板巷穿层钻孔水力冲孔防突技术

针对新安矿14211运输巷掘进过程中面临的煤与瓦斯突出问题,为了研究和确定适合新安煤田三软煤层赋存特点的水力冲孔工艺和消突评价体系,使其快速消除工作面突出危险性,提高煤巷掘进速度,采用底板巷穿层钻孔水力冲孔防突措施,按照考察出的冲孔影响半径均匀布置钻孔,排出部分煤体和瓦斯,使煤体卸压增透。试验结果表明,底板巷穿层水力冲孔技术较好地适应和利用了三软煤层的赋存特点,消除了工作面的突出危险性,掘进速度也由之前的40 m/月提高到75m/月,提高了87.5%。

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m^3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。

潘三矿13-1煤层水力冲孔试验研究

为考察潘三矿13-1突出煤层水力冲孔技术措施的消突效果,基于13-1煤层的赋存条件,介绍了潘三矿-650 m东四运输大巷利用穿层钻孔进行水力冲孔试验的过程,研究了水力冲孔的冲出煤量、风流中瓦斯浓度、考察孔瓦斯流量、瓦斯抽采半径和冲孔前后瓦斯抽采流量变化等5个方面。结果表明：在单孔每米冲出煤量达到2.0~3.0 t时,13-1煤层瓦斯抽采半径达到4.5 m,考察孔瓦斯流量为冲孔前的10倍以上,瓦斯流量衰减系数仅为冲孔前的30%,在冲孔控制区域内煤体得到卸压,煤层瓦斯含量降低了近70%,释放了煤层的突出潜能,取得了明显的卸压增透效果。

穿层深孔控制爆破有效影响半径的确定

为了确定穿层深孔控制爆破施工过程中爆破孔间距的大小,需要考察控制爆破过程中产生裂隙场半径的大小。以平煤十二矿己15-31010工作面为试验点,从理论计算、数值模拟及现场试验3个方面对裂隙场的半径进行计算测试,并对结果进行对比分析,从而得出了深孔控制爆破的有效影响半径。结果表明穿层深孔控制爆破过程中爆破孔有效间距为5-7 m时最佳。

上行开采覆岩裂隙演化规律与层间岩层稳定性研究

为了研究陕北东峁煤矿上行开采的可行性,采用相似材料模拟试验研究方法,模拟研究了东峁煤矿典型工作面上行开采过程中的覆岩裂隙演化规律与层间岩层稳定性情况。结果表明:东峁煤矿下部5^(-2)煤层工作面回采推进328 m过程中,共产生10条穿透了上部3^(-2)煤层的上行裂隙;3^(-2)煤层工作面回采时在推过这些上行穿层裂隙之处,没有出现滑落失稳与台阶下沉现象;5^(-2)煤层开采不会引起3^(-2)煤层剧烈的变形破坏,开采3-2煤层对层间岩层所引起的应力变化对3^(-2)煤层影响程度较弱,保证3^(-2)煤层开采处于一个稳定的底板之上,实践表明东峁煤矿实施上行开采是可行的。

穿层爆破各煤层动态应力分布与抽放效果探讨

穿层深孔爆破在石门揭煤及局部地段防止瓦斯突出有重要作用,由于爆破区域跨越多层煤、岩介质以及扇形布孔造成孔口孔底最小抵抗线不相等因素影响,穿层深孔爆破研究较为困难。在大量矿井试验基础上,利用三维数值模拟方法,研究有代表意义的穿层深孔爆破相关理论问题。建立穿层爆破计算模型,获得不同位置抽放孔有效应力随时间变化规律;探讨各抽放孔有效应力随距炮孔水平距离增加而衰减,以及不同抽放孔轴线方向两层煤中应力分布的差异。计算结果表明:复合介质孔口、孔底煤层中爆破裂隙贯通范围分别为1.4,1.8 m;孔底由于锥形波的叠加和应力波反射双重作用影响,在相同距离时孔底有效应力平均值较孔口大73%;煤–岩复合介质中煤层爆破效果优于单煤层爆破效果,同等情况下,复合介质煤层中孔口处有效应力极值较单煤层增加17%～42%,孔底增加6%～24%。现场实践表明,当作用在抽放孔轴线的平均有效应力由7.12 MPa增到12 MPa后,瓦斯抽放总量增加3倍以上。

煤层气水平井穿层压裂裂缝扩展机理

为对煤层顶底板水平井穿层压裂技术提供理论支撑,以煤层顶底板水平井穿层压裂技术为模拟对象,应用大尺寸真三轴测试系统对天然岩样制得的试件进行了水平井压裂模拟试验,研究了地应力、天然裂缝及弹性模量对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明:在采用水平井穿层压裂技术开发煤层气时,应优选垂向应力与最大水平应力差较大(5 MPa)的含煤地层;高弹性模量层中水力裂缝内压力较高,可进一步促进裂缝扩展;天然裂缝对水力裂缝扩展的影响不仅与逼近角有关,更与天然裂缝宽度、水力裂缝内注入压力相关。水力裂缝内注入压力较低(10 MPa)、天然裂缝较宽时(0.05 mm),水力裂缝易受天然裂缝影响,与天然裂缝相交后沿天然裂缝扩展;水力裂缝内注入压力较高时(30MPa),天然裂缝对水力裂缝扩展的影响减弱。

高位巷一巷两用瓦斯抽采技术研究与应用

为了解除煤巷掘进期间的煤与瓦斯突出危险和解决工作面回采时的瓦斯超限问题,在松河矿井1031工作面顶板上方布置高位巷,从高位巷内向下施工穿层钻孔在掘进前预抽掘进条带瓦斯,利用高位巷在工作面回采时抽采采空区上部卸压瓦斯。采用一巷两用的高位巷抽采瓦斯方法后,巷道掘进时无煤与瓦斯突出发生,工作面回采时回风流最高瓦斯体积分数不超过0.8%、上隅角最高瓦斯体积分数不超过0.96%。

寺家庄矿下向穿层钻孔有效抽放半径研究

文章介绍了瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的测试方法,并通过采用压降法确定了寺家庄矿下向穿层钻孔的有效抽放半径,为抽放钻孔的设计提供了科学依据,提高了区域防突措施的有效性。

穿层钻孔喷孔发生的突变机理及防喷孔措施

结合穿层钻孔发生喷孔的表现形式及力学条件,运用非线性理论中的突变理论对穿层钻孔发生喷孔的原因进行了解释。基于矿井钻孔安全施工的需要,介绍了穿层钻孔安全施工的防喷孔措施。通过现场应用认为:采用防喷孔措施能有效控制穿层钻孔施工过程喷出的煤与瓦斯,消除打钻过程中由喷孔引起的安全事故的发生。

穿层爆破在南桐矿瓦斯抽放中的应用与数值模拟

穿层抽放是一些高突矿井常用的瓦斯治理手段,在穿层抽放时采用爆破技术已被证明具有良好的抽放效果。以重庆市南桐矿穿层爆破为背景,建立了穿层深孔爆破数学模型;利用数值计算和现场实测抽放数据相结合的方法,分别研究了各爆破孔、控制孔动应力的变化以及爆破应力场强度与抽放效果的关系。研究结果表明,穿层抽放的特点决定了爆破孔与抽放孔的布孔方式。由于炮孔斜穿煤层,煤层各断面动应力场分布极不均匀,药包中心控制孔所受动应力为控制孔中最大。在南桐矿薄煤层试验条件下,药包长度为3.2 m的爆破孔平均破坏半径为0.57 m,较其他两排炮孔大20%以上。炮孔中药包长度是影响瓦斯抽放量的重要因素。爆破孔的平均单孔抽放量较控制孔高55%,爆破钻场较非爆破钻场平均单孔流量大49%。

穿层钻孔喷孔周围煤体应力与变形数值模拟研究

依据煤与瓦斯突出机理,在全面分析低透气性突出煤层穿层钻孔喷孔原因及其煤体移动变形基础上,利用FLAC3D软件及相关理论对喷孔孔洞周围煤岩体的应力场分布规律、位移场分布规律等进行数值模拟研究。研究表明,在突出孔洞形成后,孔洞周围煤体内形成卸压区、破裂区、弹性应力区,煤体内部裂隙萌生、扩展、贯通,周围煤体产生指向孔洞中心的径向位移,位移大小与喷孔孔洞距离、蠕变煤体对后续煤体的流变变形的阻碍卸压有关;喷孔的影响范围与喷孔孔洞半径、煤层埋藏深度、煤层厚度正相关;卸压质量比与喷孔空洞半径正相关,与煤层埋深负相关。

穿层钻孔煤层段变孔径掏穴卸压增透强化抽采瓦斯技术

为提高预抽煤层瓦斯消突效果,文章提出了一种变孔径的钻孔卸压增透技术,并在下山揭煤钻孔中进行了试验研究。通过对已施工好的下向穿层钻孔实施掏穴扩孔后,实际钻进出煤量相应增加,钻孔的卸压影响范围增大,钻孔周围的煤体变形和透气性增大,抽采瓦斯效果显著提高,值得在低透气性高瓦斯突出煤层消突实践中推广应用。

高突低渗煤层立体网状穿层压裂防突技术试验研究

为了解决单一低渗高突煤层瓦斯治理难题,运用弹性力学和断裂力学的理论,提出立体网状穿层压裂增透消突技术,建立计算目标煤层起裂压力的模型。集成配套了井下压裂成套设备,首次利用SF6气体示踪剂确定立体网状穿层压裂范围。结果表明：技术实施后,缝隙网络发育、瓦斯抽采效果提高了1.69~1.83倍,煤层膨胀率达到0.581%,电磁辐射预测突出指标降低了35%~45%,增透消突效果显著。大范围、区域化实施立体网状穿层压裂技术,能够实现技术优越性。

穿层水力冲孔卸压增透效果的研究

分析了水力冲孔增透消突的机理,阐述了水力冲孔的工艺流程,以北辰矿8111工作面底板巷为试验地点,考察了水力冲孔前后抽采影响半径、煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采瓦斯浓度和瓦斯流量的变化。并利用RFPA2D-Flow软件模拟了水力冲孔前后煤层裂隙发育过程,研究了水力冲孔后煤层应力和渗透系数对抽采效果的影响。

水力诱导穿层钻孔喷孔煤层增透技术及工程应用

依据煤与瓦斯突出机理,在分析低透气性突出煤层穿层钻孔喷孔煤体增透提高瓦斯抽放机理基础上,对煤体穿层钻孔的诱导喷孔工艺及瓦斯抽放钻孔布置进行了优化设计,并在淮北矿业集团祁南煤矿7煤层工作面进行了现场试验。结果表明:水力诱导穿层钻孔喷孔煤层增透可使孔群范围煤体透气性提高150余倍,单孔平均瓦斯抽采流量增加4倍以上;消除突出危险性煤层采用综合机械化掘进,月掘进进尺平均达200 m,较传统瓦斯治理方法下放炮掘进进尺可提高4～5倍。