急倾斜煤层分段开采围岩裂隙场演化及瓦斯运移规律研究

新疆是我国14个亿吨级大型煤炭生产基地之一,其急倾斜煤层储量占世界同类煤层储量的30%以上。急倾斜煤层赋存较为复杂、开采难度较大,目前新疆地区常用的开采方法是水平或斜切分段放顶煤采煤法,由于其采放比较大、顶煤及顶板控制难度大、底部煤体自卸压瓦斯解吸及运移、采空区遗煤较多等特点,导致工作面瓦斯防治工作难度较大,瓦斯、顶板等动力灾害事故频发。乌东煤矿的煤层赋存条件、采煤方法、瓦斯防治技术等方面都具有代表性,以乌东煤矿为试验点,对急倾斜煤层分段开采围岩裂隙场演化、瓦斯运移及涌出规律、瓦斯涌出预测模型及瓦斯抽采关键技术优化等多个方面进行系统研究,开展的主要工作如下:基于乌东煤矿煤层赋存和开采方式,采用相似模拟实验方法,构建了急倾斜煤层分段开采模型,自上而下共布置六个开采区段,按照采放比1:7.3进行模拟开采,通过布置实时监测的应力传感器与位移测点,对工作面顶板、顶煤的破坏、运移规律进行了观测和研究,分析了工作面底板、底煤应力变化规律。工作面覆岩形成典型的“抛物线”状断裂边界及“椭抛形”垮落带;下断裂弧的下角内、支架上方的“Z”形铰接结构空隙区和上断裂弧的顶角内空隙区,构成了瓦斯富集区域和漏风通道。采用PFC^3D离散元数值模拟软件构建了急倾斜煤层分段开采的三维模型,依据煤岩体物理力学参数选择了数值模拟的计算参数,通过高性能计算机工作站的动态模拟解算,得到了工作面围岩裂隙场演化规律以及工作面围岩裂隙场孔隙率分布动态数据集,数值模拟的底板应力变化规律与

相似模拟实验结果一致;将孔隙率分布动态数据集通过数据耦合方式导入COMSOL多物理场数值模拟软件,建立瓦斯涌出及运移数学模型,得出了急倾斜煤层分段开采在一定瓦斯压力、裂隙场条件下的瓦斯浓度分布和空间运移规律。通过分析底部煤体应力演化规律,在沿工作面推进方向,建立工作面底部煤体在原始状态、工作面煤壁应力集中时、工作面开采后和采空区垮落稳定后等不同阶段的应力变化计算模型,编程导入MathCAD软件,绘制了底部煤体应力趋势图,并建立了底部煤体在应力集中、自卸压过程中底煤瓦斯解吸及运移的预测模型。结合相似模拟实验取得的应力监测数据,通过分析不同应力状态下的煤体瓦斯渗流情况,对底部煤体瓦斯抽采难易程度的区域进行合理判定,为底部煤体的瓦斯涌出预测、拦截抽采参数的设计等提供了依据。在实际测定矿井瓦斯参数的基础之上,结合工作面围岩裂隙场瓦斯运移规律、工作面底部煤体自卸压瓦斯解吸、运移预测模型,分析并总结了传统矿井瓦斯涌出量预测方法在急倾斜煤层分段开采工作面瓦斯涌出量预测应用中的不足,对其不适合急倾斜煤层分段开采条件的计算参数进行重构,并建立了适合急倾斜煤层分段开采工作面瓦斯涌出量预测的方法。根据乌东煤矿的开采实践进行了验证,所预测工作面瓦斯涌出量与实际测定值基本一致。根据工作面围岩裂隙场、底部煤体应力场演化规律,采用瓦斯渗流耦合作用模型,结合瓦斯运移规律,在急倾斜煤层分段开采瓦斯抽采成套技术体系下,优化了高位拦截抽采瓦斯和底煤拦截抽采瓦斯的关键技术参数,并根据乌东煤矿生产实践,将瓦斯抽采成套技术应用在+575m水平43#西工作面,取得了

很好的瓦斯抽采效果,回风隅角瓦斯浓度长期控制在0.3%左右,工作面瓦斯涌出量得到有效控制。采用相似模拟实验、数值模拟、理论分析和现场测定与验证等多种研究手段,揭示了急倾斜煤层分段开采工作面的围岩破坏及裂隙场分布特征,分析了裂隙场对围岩瓦斯的运移影响,构建了工作面底部煤体渗透率及涌出理论模型,建立了适合急倾斜煤层分段开采的工作面瓦斯涌出量预测方法,优化了急倾斜煤层分段开采瓦斯抽采关键技术。