特厚煤层卸压瓦斯储集区演化特征及工程应用
发布于 2022-05-18 13:48
本文创新点
1.根据采空区覆岩“三带”特征，结合关键层理论，将卸压瓦斯储集区划分为高位、中位及低位等层位，得到了不同层位卸压瓦斯储集区变化形态，揭示了特厚煤层卸压瓦斯储集区演化规律。
2.建立了基于关键层破断、最大弯曲下层量为依据的卸压瓦斯储集区位置判别条件，提出了卸压瓦斯储集区位置判别流程，进行了高位钻孔抽采卸压瓦斯的工程应用，取得了良好效果。
林海飞，博士，教授，博士生导师。现任西安科技大学安全科学与工程学院副院长，兼任中煤协会西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心常务副主任，中国职业安全健康协会煤矿瓦斯专业委员会青年专委会副主任，中国煤炭工业技术委员会煤矿通风与安全专家委员会委员，国际矿业青年科学家论坛学术委员会副主席，陕西省应急管理与安全生产协会副会长，《采矿与安全工程学报》编委，《煤炭学报》《煤炭科学技术》《中国安全科学学报》等期刊青年专委会委员。主要从事煤矿瓦斯防治研究，主持国家自然科学基金面上项目3项、青年项目1项，省部级及企业合作项目30余项，在《煤炭学报》、Energy等期刊发表学术论文100余篇，其中SCI/EI收录50余篇，3篇入选领跑者F5000；出版专著及教材13部；获省部级一等奖4项（1项第1，2项第2，1项第3），授权发明专利19项；获孙越崎青年科技奖、陕西省杰出青年基金、陕西省青年科技奖、陕西省中青年科技创新领军人才、陕西省重点科技创新团队等。
徐培耘，西安科技大学在读博士。主要从事矿井瓦斯抽采等方面的科研工作，在《煤炭学报》、《采矿与安全工程学报》、《煤炭科学技术》等期刊上公开发表学术论文5篇，授权发明专利1项；获“中国安全生产协会”一等奖1项，“中国煤炭工业协会”二等奖2项；参与国家自然科学基金、各类省部级自然科学基金4项，以及企业合作项目10余项。
作 者
林海飞1,2，王旭1，徐培耘1，孔祥国1,2，双海清1,2，赵鹏翔1,2
单 位
研究背景
我国厚煤层煤炭储量丰富，占总储量的44%，每年厚煤层煤炭产量占总产量的45%以上。一般煤厚8.0m 以上的煤层为特厚煤层，此类工作面多采用综放方式回采，采煤过程中落煤量大，遗煤量多，与综采工作面相比，采空区瓦斯储量偏大，煤壁与邻近煤层瓦斯涌出速率较快。同时，在采煤过程中，由于采厚较大，易存在关键层进入垮落带，关键层破断表现为“悬臂梁-砌体梁”交替型式，不同层位关键层下方会产生形态大小不一的离层裂隙，为采空区卸压瓦斯提供了储集空间。明确特厚煤层覆岩主要离层空间的分布与演化规律，准确判别采空区卸压瓦斯储集区位置，可实现特厚煤层综放开采卸压瓦斯高效抽采。
特厚煤层覆岩离层空间的分布与演化规律主要受控于采场覆岩裂隙分布和运动结构特征。钱鸣高、李树刚、林海飞等提出了“O”形圈、椭抛带和采动裂隙圆角矩形梯台带工程模型等覆岩形态，为研究采场覆岩提供了理论基础。基于此，国内外众多学者针对特厚煤层条件下覆岩的裂隙演化和运动结构进行研究，潘瑞凯等对特厚煤层群开采后的覆岩裂隙发育规律进行研究，将覆岩划分为拱间优势空隙带和拱下微空隙带；张玉军等通过UDEC模拟，分析了急倾斜特厚煤层覆岩裂隙演化特征，发现覆岩破坏受分层影响显著；王海军等分析了特厚煤层开采过程中的覆岩运动和应力演化规律，发现应力集中程度随着工作面推进而增大，工作面附近裂缝与来压关系密切；孔令海等发现在特厚煤层综放采场，上覆岩层下沉运动空间大，采动围岩超前破坏范围大，其下沉运动主要为回转失稳或剪切滑落失稳；侯运炳等对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究，并建立了覆岩力学模型；高建良等通过FLAC3D模拟，分析了特厚煤层分层开采下伏煤层塑性破坏区的分布特征；崔峰等研究了特厚煤层重复采动下覆岩裂隙的分布特征，发现覆岩裂隙数量基本随深度呈递增趋势；胡青峰等通过二维相似材料模型，反演分析了特厚煤层开采时覆岩运动规律，发现单层开采时上覆岩层未发生显著的破坏和变形，重复采动下，覆岩以一定的角度向上垮落和裂隙发育。
以往研究工作在特厚煤层条件下覆岩裂隙演化和运动结构方面取得了丰硕成果，但特厚煤层覆岩演化规律较为复杂，仍需进一步研究。本文在前人研究基础上，采用3DEC数值模拟软件，对采场覆岩应力位移分布及卸压瓦斯储集区演化特征进行了研究，得到了特厚煤层卸压瓦斯储集区演化特征，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并设计试验工作面高位钻孔进行了工程应用，研究结果可为特厚煤层工作面卸压瓦斯抽采提供一定借鉴。
内容概要
1 模拟方案
1.1 试验背景
图1 三维数值计算模型
图2 系统不平衡力分布曲线
2 卸压瓦斯储集区演化规律及判别
2.1 特厚煤层覆岩应力及位移分布特征
图4 不同推进距离下卸压瓦斯储集区演化特征
图6 卸压瓦斯储集区动态演化特征
图7 卸压瓦斯储集区位置判别方法
3 现场应用
3.1 高位抽采钻孔布置
图8 卸压瓦斯储集区高位钻孔布置示意图
表2 高位抽采钻孔布置参数
3.2 卸压瓦斯抽采效果
图9 高位钻孔单孔瓦斯抽采效果
图10 瓦斯抽采整体效果
结 论
1）试验工作面开采后，垮落带高度49.5m，裂隙带高度104m。特厚煤层回采过程中，应力集中区K值增大，位移量变化较小；卸压区K值减小，位移量增大，随回采推进，中部K值回升，位移量达最大值；原岩应力区K值趋于1，位移量无显著变化。
2）特厚煤层回采后，工作面侧卸压区内关键层失稳后，下方形成卸压瓦斯储集区，据此提出卸压瓦斯储集区位置判别方法。根据采空区覆岩“三带”特征，按照层位高低，将卸压瓦斯储集区划分三类：关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。
3）卸压瓦斯位储集区形态面积随关键层破断变化。破断前面积持续上升，低位储集区呈矩形，中位和高位储集区呈半椭圆形，最大面积分别达311m2、640m2 和697m2，三维形态对应矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区呈梯形，中位储集区呈三角形，高位储集区呈半椭圆形，平均面积分别为92.6m2、151.9m2 和153.1m2，三维形态对应矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。
4）根据判别结果，将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围。当钻孔终孔位置进入卸压瓦斯储集区，瓦斯抽采浓度显著回升，中位储集区抽采浓度22.6%~34.5%，低位储集区平均抽采浓度14.3% ~16.8%。抽采后工作面、上隅角和回风巷瓦斯浓度分别为0.15%、0.55%和0.36%，保证了工作面的安全回采。
结 论
1）试验工作面开采后，垮落带高度49.5m，裂隙带高度104m。特厚煤层回采过程中，应力集中区K值增大，位移量变化较小；卸压区K值减小，位移量增大，随回采推进，中部K值回升，位移量达最大值；原岩应力区K值趋于1，位移量无显著变化。
2）特厚煤层回采后，工作面侧卸压区内关键层失稳后，下方形成卸压瓦斯储集区，据此提出卸压瓦斯储集区位置判别方法。根据采空区覆岩“三带”特征，按照层位高低，将卸压瓦斯储集区划分三类：关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。
3）卸压瓦斯位储集区形态面积随关键层破断变化。破断前面积持续上升，低位储集区呈矩形，中位和高位储集区呈半椭圆形，最大面积分别达311m2、640m2 和697m2，三维形态对应矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区呈梯形，中位储集区呈三角形，高位储集区呈半椭圆形，平均面积分别为92.6m2、151.9m2 和153.1m2，三维形态对应矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。
4）根据判别结果，将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围。当钻孔终孔位置进入卸压瓦斯储集区，瓦斯抽采浓度显著回升，中位储集区抽采浓度22.6%~34.5%，低位储集区平均抽采浓度14.3% ~16.8%。抽采后工作面、上隅角和回风巷瓦斯浓度分别为0.15%、0.55%和0.36%，保证了工作面的安全回采。
引用格式
林海飞,王旭,徐培耘,孔祥国,双海清,赵鹏翔.特厚煤层卸压瓦斯储集区演化特征及工程应用[J/OL].煤炭科学技术:1-11[2022-05-16].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2021-1291.
.
END
本文来自网络或网友投稿，如有侵犯您的权益，请发邮件至：aisoutu@outlook.com 我们将第一时间删除。
相关素材