关于煤矿综采工作面上隅角有害气体的治理研究

煤矿开采中产生的有害气体,会造成各种煤矿事故的发生,例如瓦斯爆炸等,在煤矿综采工作面上隅角有害气体超标,不仅影响着开采工作的安全、顺利进行,还影响着煤矿开采的经济效益,影响着采矿工作人员的生命安全等。为了降低煤矿开采中危险事故的发生,提供采矿经济效益,需要加强煤矿开采中有害气体的治理,本文针对煤矿综采工作面上隅角有害气体的治理,以及相关的内容进行分析研究。

高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征,以高家梁煤矿20313工作面为研究对象,分析了工作面顶板含水层赋存情况,通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质,采用相似模拟试验、理论分析、CAN-Ⅱ大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大,颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表,抗拉(压)强度减小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展,虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏,但裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧,虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线,但仍有平滑层状曲线包裹,说明采动覆岩的连续性分布较好,岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主,裂缝数量较少,基本上所有裂缝经历了"张开—扩展—闭合"完整发育过程,裂缝发育周期最长的为15 d,最短为7 d;裂缝宽度最大为6.3 cm,台阶落差最大为8.7 cm,地表植被生长及分布情况与开采前基本一样,说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究,物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段,提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。

综采工作面回撤技术的应用研究

通过对高家梁煤矿2-2中煤层20306工作面回撤过程分析,认为回撤通道支护质量与强度和贯通时工作面与通道顶板是否平整衔接对工作面采通、回撤时的通道顶板安全管理极为重要;末采时铺网、铺钢丝绳的质量对回撤支架时的顶板安全管理尤为重要。

软岩井筒联合支护体系适应性的数值分析

用FLAC3D对高家梁软岩井筒进行了开挖支护施工过程的数值模拟,分析了井筒开挖、支护过程中围岩应力分布、井筒围岩变形、围岩塑性区范围,并基于此给出二次支护的时机。通过与现场监测的对比,证明了井筒支护方案的有效性。

浅埋煤层工作面开采覆岩应力场-裂隙场时变演化规律研究

为研究采煤工作面上覆岩层采动应力演化特征及破断过程,以高家梁煤矿40101工作面开采为例,建立数值模型,对工作面开采过程中应力场-裂隙场演化规律进行模拟。结果表明:利用莫尔-库伦准则分析最大主应力与最小主应力差值的变化规律可以判断岩层垮落、破坏之间的关系,通过数值模拟结果与现场实测结果进行比对,可以验证工作面开采过程中裂隙场与应力场时变演化的正确性。

浅埋薄基岩采场覆岩破断特征及其导水裂隙带发育规律研究

以高家梁煤矿20107工作面为工程背景,借助物理相似材料试验及UDEC数值模拟对浅埋薄基岩开采条件下工作面覆岩破断规律进行系统研究。结果表明:工作面推进至48 m处直接顶开始产生离层并垮入采空区,推进至72 m处时,基本顶在自重及上覆载荷作用下发生周期性破断,覆岩经历了弯曲下沉、触矸压实、最终稳定等一系列过程,最大破坏高度达152 m;数值模拟同样再现了工作推进过程中顶板破坏演化特征,工作面推进至150 m时顶板破断运动至稳定状态,覆岩最终破坏高度达100 m左右;最后通过井下仰孔分段注水观测法对顶板导水裂隙带发育高度进行现场实测,实测覆岩破坏高度约为采高的25倍,与物理模拟、数值模拟结果基本吻合,表明20107工作面回采对上覆含水层影响有限,可为类似矿井工作面安全开采提供参考依据。

采空区遗留煤柱下伏煤巷变形破坏机理及控制技术

以高家梁煤矿30102辅运巷采掘地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场应用相结合的方法,研究了采空区遗留煤柱下伏煤巷,揭示了其变形破坏机理,并提出相应的控制技术。主要结论:受外部应力环境(上煤层采空区遗留煤柱非均匀传递)以及支护构件选择不合理等影响因素,30102辅运巷两帮非对称变形破坏,而顶板整体下沉明显;建立了近距离煤层下伏煤巷破坏结构模型,分析发现采空区遗留煤柱下伏煤巷非均布受载是导致顶板整体下沉及两帮非对称变形破坏的主要因素,且非均布受载越强,巷道围岩越易发生非对称变形破坏;数值模拟及现场巷道表面位移监测发现,采用非对称支护后巷道表面移近量明显比原支护条件下的表面移近量小,有效地控制住了巷道围岩的非对称变形。

多煤层开采破断顶板群结构发育扩展规律研究

针对高家梁煤矿多煤层开采时下煤层工作面矿压显现剧烈、易出现压架等问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对多煤层开采顶板破断演化规律及强矿压形成机理展开研究,以修正的Hoek-Brown准则作为采动岩体强度准则,模拟多煤层开采覆岩破断扩展演化过程。研究结果表明:由于回采煤层数量增多致使覆岩弯曲下沉带岩层逐渐演变为断裂带,最终导致破断顶板向上发育扩展,形成破断顶板群结构,破断顶板群结构高度分别为23、49、78、112 m;煤层采高和层间距对顶板群破断结构高度的影响明显,但层间距超过35 m时覆岩破断高度保持稳定;当开采多煤层时,破断顶板群结构压力传递至下煤层,使下煤层工作面部分区域出现强矿压显现现象。研究结果揭示了坚硬岩层条件下多煤层开采破断顶板群结构扩展规律及下煤层强矿压形成原理,对工作面布置和强矿压防治具有一定的指导意义。

中厚煤层综采工作面采空区自燃“三带”研究

针对自燃煤层工作面采空区遗煤自燃风险范围难以确定的问题,以高家梁煤矿40103工作面为工程地质背景,采用FLUENT数值模拟软件和现场实测的综合手段,对其采空区遗煤自燃“三带”分布规律进行研究分析。结果表明:数值模拟和现场实测结果差异性不大,试验工作面回风顺槽侧氧化带为19~131 m,运输顺槽侧氧化带为100~163 m;φ(O_(2))与采空区深度成反比关系,φ(CO_(2))、φ(CH_(4))、φ(C_(2)H6_())与采空区深度成正比关系,而φ(CO)随采空区深度增加先变大后变小;不进行采空区防灭火措施时工作面最小推进速度为4.65 m/d。同时为高家梁煤矿其他盘区工作面防灭火防治具有重要的参考价值。