不稳定煤层多场联合勘探综合解译技术研究与应用--以河南新义煤矿为例

地质条件复杂的工作面由于勘探条件较差或者存在多种隐蔽致灾地质因素干扰,导致单一的物探手段难以准确辨识不良地质体,需要采用多种物探方法进行联合勘探,相互补充印证,以解决物探多解性问题。针对新义煤矿11080工作面揭露的大范围薄化带,采用地震槽波速度场、质量场、能量场以及无线电波透视法联合勘探,对不良地质体进行多维度、多方面的探查,开展多场耦合综合解译,圈出了工作面煤层薄化带和开采关注区。结果显示,多场联合勘探综合解译技术能够对复杂地质条件下极不稳定煤层进行有效探查,能够准确判断不良地质体的相关属性,为工作面安全高效生产提供依据,该方法能够在类似地质条件工作面推广。

长钻孔抽采条件下顶板瓦斯运移规律及减涌机理研究

顶板长钻孔瓦斯抽采是实现“以抽代巷”,实现顶邻近层瓦斯抽采,减少开采空间瓦斯涌出量的重要手段。结合顶邻近层瓦斯抽采减少回风顺槽上隅角瓦斯浓度工程实践,研究抽采条件下顶板瓦斯运移规律及其对工作面、回风顺槽瓦斯浓度涌出量减少作用机理,发现采用斜向高位钻孔群抽采造成的瓦斯压力降低区相互搭接,在回风顺槽顶板上方及左右两侧迅速形成1个沿巷道分布的低瓦斯压力区,该区域有效阻隔顶板瓦斯向回风顺槽的涌出;靠近采空区侧的顶板斜长钻孔对采空区瓦斯流动也有影响,可有效降低上隅角顶板附近瓦斯压力,降低瓦斯涌出量;抽采稳定后,工作面中部偏轨道顺槽一侧,仍会保有较高瓦斯压力区域,在工作面回采过程中应予以关注。

基于多场耦合数学模型的机械造穴数值模拟研究

通过构建机械造穴瓦斯运移应力场、渗流场及裂隙场多场耦合数学模型和几何模型,结合鹤煤九矿煤层参数,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,针对不同造穴直径、抽采时间和造穴长度等参数下的瓦斯抽采运移规律开展了数值模拟,结果表明:首先,机械造穴可增大围岩的塑性区半径、煤层渗透率与孔隙率,扩大瓦斯抽采半径和影响范围,提高了煤层卸压增透效果,使抽采达标时间大幅缩短;其次,实施机械造穴工艺时,增加造穴长度对于增加瓦斯抽采有效影响范围优于增加造穴半径。该研究为煤矿井下现场实施机械造穴技术提供了科学依据。

基于地震槽波透反射法的煤厚与断层联合勘探技术研究

为减少断层和煤厚变化对工作面正常生产和瓦斯治理带来的影响,对新田煤矿1901工作面进行了地震槽波透射、反射联合勘探,通过透射法CT成像和反射法共中心点叠加及时深转换等手段,取得了诸多成果,可为矿井生产和瓦斯治理提供依据。研究表明,探测距离对透射、反射槽波提取均会产生一定影响,3.4 m左右稳定煤层槽波提取有效距离最短为90~110 m;1901工作面共划分2个煤厚大于3.8 m和1个煤厚小于3 m的区域,稳定煤层会降低槽波的分辨率;F 1401-5断层和F 1401-4断层向工作面内延伸长度分别为76 m和67 m。

突出煤层掘进工作面瓦斯涌出相关性及通风安全分析与应用

掌握掘进工作面瓦斯涌出的动态规律对于工作面通风安全和煤与瓦斯突出防治具有重要意义。为此,选取大平煤矿21下部煤柱面的3条煤巷掘进工作面为研究对象,采用ANSYS模拟分析了工作面风流和瓦斯分布规律,在距离掘进面1、3 m断面上瓦斯浓度分布较为紊乱;在距离掘进面10 m的位置瓦斯和空气是混合后均匀流动的,即为加设瓦斯传感器采集掘进动态瓦斯涌出量的最佳位置。研究了工作面瓦斯涌出与掘进作业工序、作业班次、巷道长度和煤壁暴露时间因素的关联特征,掘进工作面瓦斯涌出主要来源于煤壁,且出现2个瓦斯涌出量峰值时间点:在落煤替顶作业工序时和二次波峰为中间落煤清煤工序时。通过建模模拟和主控因素分析,准确掌握了瓦斯动态涌出的具体地点和时间,从通风监控、掘进工序和抽采部署方面,提出了针对性的优化方案,对于工作面煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯抽采达标评判和瓦斯事故风险感知等安全管理工作具有重要的参考价值。

顶板导水通道瞬变电磁响应特征及应用

针对西北干旱-半干旱矿区煤层顶板水害问题,为了查明回采工作面顶板导水通道分布范围,依据全空间瞬变电磁理论与时域有限差分算法,结合示范矿区地层电性特征建立正演地电模型,通过数值模拟研究了回采工作面顶板导水通道的不同磁场分量、不同时刻和不同探测角度的磁场响应特征,并在新疆示范矿区开展了应用试验。结果表明:线框法线方向所对应的磁场分量(Hy)强度最大,分布趋势最简单;磁场强度与衰减梯度随时间延迟逐渐衰减降低,在顶板导水通道处会产生二次感应,并以此为二次场源向外扩散衰减;Hy可识别顶板导水通道,最大有效探测仰角为75°;示范矿区的应用试验及后期钻探验证了瞬变电磁法在回采工作面顶板导水通道探测中的可行性与准确性。

基于钻冲压协调作业的煤层卸压增透技术

为了解决鹤壁矿区瓦斯抽采钻孔影响范围小、衰减速度快,瓦斯灾害治理难度大,治理周期长等问题,提出了冲压协调作业的工艺流程,形成了以自动钻机群打钻-临时封孔预抽-预抽后冲压联合作业的钻冲压协调作业技术模式,并在鹤煤六矿进行工业性试验。现场应用结果表明:该技术模式充分发挥了自动钻机连续打钻、快速作业、减员提效的优势,实现了瓦斯抽采钻孔施工作业、水力化冲压协调增透作业的专业化、连续化、规模化,使底板岩巷内施工穿层钻孔治理瓦斯的施工工效在同等地质条件下提高48%;同时,利用自动钻机施工抽采钻孔完成后,对其进行临时封孔抽采,使钻孔内的游离态瓦斯经过抽采后大幅减少,大大降低了水力化措施施工期间巷道瓦斯超限事故发生的频率,有效保障了施工的安全;试验钻孔平均瓦斯体积分数是常规水力冲压措施的1.31倍,试验单元钻孔平均日抽采纯量是常规水力冲压措施的1.79倍。

钻孔轨迹地面监测系统构建及应用

研发了钻孔轨迹随钻测量装置,开发了钻孔轨迹监测分析软件,构建了钻孔轨迹地面监测系统。钻孔轨迹地面监测系统利用随钻测量装置和计算机软件技术,实现了钻孔设计及施工参数实时测量一体化,钻孔轨迹数据自动成图和展示,钻孔覆盖区域可视化,借助煤矿井下工业环网和地面局域网搭建的信息网络平台实时上传地面工作站,有效避免了人为错误因素导致的钻孔测深不准确、钻孔施工易留空白带等问题。应用试验表明,钻孔轨迹地面监测系统运行稳定,钻孔轨迹测量方法简单,钻孔数据处理有效快速,有助于分析钻孔偏差原因,提升矿井的“三化”水平。

强突出煤层“内保护层”构建理论及工程实践

保护层开采是煤矿瓦斯灾害防治最有效的技术手段,适用于有保护层可采的多煤层(群)等。对于无保护层可采的强突出单一煤层,随着采深加大、开采强度增加、构造更加复杂等多重因素叠加影响,应力与瓦斯耦合型灾害成为主导。为消除煤与瓦斯突出危险,目前采取的诸如机械扩孔、水力冲孔、水射流割缝和水力压裂等措施均能较好地提高抽采效果,但未能实现均匀卸压、均匀增透和消除应力异常,存在一定的消突局限性。如何实现瓦斯高效抽采和高效消突是长期遏制该类煤层安全高效开采的主要技术瓶颈。研究结合河南能源集团所属突出矿井“零距离保护层”分层开采、穿层钻孔卸压增透强化抽采消突的工程实践,通过优化穿层钻孔设计、合理选择卸压措施和精准计量掏出煤量,强化卸压消突效果考察,实现大区域连片均匀卸压,形成了在煤层内构建类似保护层的消突途径,提出了“构建内保护层技术”,实现了强力均匀卸压、高效抽采,实现煤层快速消突。总结以河南能源焦煤公司为代表的突出矿井瓦斯治理技术发展历史及经验,开展单一厚煤层“构建内保护层技术”研究,阐释了“构建内保护层”消突的科学内涵、消突机理构建方法,开发了内保护层消突效果评价技术,构建了强突出单一煤层内保护层消突技术体系并制定了相关企业标准。提出强突出单一煤层主动构建内保护层的消突理念,创新了保护层开采的内涵和外延,为强突出单一煤层高效消突提供了较完善的技术体系和较为坚实的理论基础及技术手段。

基于地震槽波与纵波的采煤工作面高应力区探测技术

随着煤矿生产区域向深部转移,开采深度持续增加,开采条件趋于复杂,冲击地压灾害趋于严重,迫切需要能够准确探测采煤工作面高应力区空间分布的探测手段。通过单轴压缩试验,研究了煤岩样在单轴压缩下的地震纵波速度变化,发现在单轴压缩下的弹性阶段,煤岩样轴向地震纵波速度随着应力增加而升高,直至煤岩块遭受破坏,波速迅速下降,地震波速与应力的响应曲线表明在煤岩样弹性阶段地震纵波与应力呈正相关关系;同时也尝试研究了单轴压缩条件下地震槽波速度与应力的响应曲线特征,发现地震槽波与应力呈正相关关系,也可用于采煤工作面高应力区探查;拟将地震槽波与纵波联合用于探测应力集中区。选取了地质条件简单的采煤工作面开展高应力探测试验,在试验数据中提取了纵波的初至速度和槽波特定频率下的速度,经过CT层析成像后形成波速等值线图,然后结合巷道相关资料对比分析,分别圈出各自的高速区,并按照地震波速与应力的正相关关系,将高速区解释为高应力区,最终把两者的重叠区域作为工作面冲击地压高风险区。经钻孔和回采验证:在应力重叠区施工钻孔时煤粉量明显偏大,易缩孔;回采通过应力重叠区时,巷道变形相对较大,“煤炮”时有发生。联合勘探试验表明槽波可用来探测采煤工作面的高应力区,与纵波相结合能够克服单一物探手段的局限性,更准确地探测冲击地压矿井采煤工作面的高应力区。