典型山地压覆煤层冲击地压与瓦斯协同防治技术研究.pdf
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1、6055(9):60-66.引用格式:刘淑红,侯建军,李美晨,等典型山地压覆煤层冲击地压与瓦斯协同防治技术研究J.煤炭工程,2 0 2 3Vol.55,No.9COALENGINEERING第55卷第9 期程炭煤doi:10.11799/ce202309011典型山地压覆煤层冲击地压与瓦斯协同防治技术研究刘淑红,侯建军,李美晨,杨治国”,(1.新郑煤电有限责任公司,河南郑州4 50 0 0 7;2.华北科技学院矿山安全学院,北京101601;3.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司,河南郑州450000)摘要:山地对其下部煤层冲击地压具有主导作用、对瓦斯赋存规律具有控制作用。典型山地压覆控制型冲击
2、地压、瓦斯富集属于宽沟煤矿特有的冲击地压、瓦斯富集类型,其显现特征与地层结构具有密切的关联性。针对此类型,通过现场监测数据分析,采用Winkler弹性地基梁和渗流理论,探讨了山地对煤层埋深、应力、渗透率影响机制,分析研究了典型山地压覆煤层冲击地压与瓦斯赋存规律及其瓦斯涌出的相关性。研究结果表明:煤层受力特征、渗透率变化规律与埋深、地表标高变化表现出强相关关系;山地垂直压力作用下,煤层应力分布、渗透率分布表现出显著非线性特征,山峰正下方应力最大,渗透率最小;渗透率、煤层应力协同控制着煤层冲击、初始瓦斯含量值;协同防治技术应用效果显著,在工作面回采期间,无瓦斯异常涌出现象,上隅角瓦斯浓度低于0.5
3、0%,回风流瓦斯浓度低于0.2 2%。此外,工作面未发生10 J级别以上的大能量微震事件,有效地解决了煤层冲击地压和瓦斯涌出异常的问题,确保了工作面的安全回采关键词:山地压覆煤层;冲击地压;瓦斯治理;煤层应力;渗透率中图分类号:TD712文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 9-0 0 6 0-0 7Coordinated control of rock burst and gas hazard in a coal seam under mountainLIU Shuhong,HOU Jianjun,LI Meichen?,YANG Zhiguo(1.Xinz
4、heng Coal Power Co.,Ltd.,Zhengzhou450007,China;2.School of Mine Safety,North China University of Science and Technology,Beijing 101601,China;3.Zhengzhou Coal Industry(G r o u p)Co.,LT D.,Zh e n g z h o u 4 50 0 0 0,Ch i n a)Abstract:The mountain plays a leading role in rock burst of the lower coal s
5、eam and has a controlling role in gas occurrence.Typical rock burst and gas accumulation under mountain is a unique hazard type in Kuangou Coal Mine,and its characteristicsare closely related to the formation structure.In view of this hazard type,the field monitoring data were analyzed using theWink
6、ler elastic foundation beam and seepage theory,to discuss the influence mechanism of mountain on the buried depth,stress and permeability of coal seam,and study the correlation between the rock burst and gas occurrence and gas emissionunder such condition.The results show that:the stress characteris
7、tics and permeability of coal seam are closely correlated withthe variation of buried depth and surface elevation;under the vertical pressure of mountain,the stress and permeabilitydistribution of coal seam is significantly nonlinear,and the stress is the largest and the permeability is the smallest
8、 right belowthe mountain peak;permeability and coal seam stress jointly control the rock burst and initial gas content.Aiming at the aboveresults a collaborative technology was applied,and the effect was significant.During the working face mining,there was noabnormal gas emission,and the gas concent
9、ration in the upper corner was within 0.50%,and the gas concentration in thereturn flow was within 0.22%.In addition,there was no large energy microseismic event above the sixth power level in theworking face,which effectively solved the problems of rock burst and abnormal gas emission in the coal s
10、eam,and ensured thesafe mining of the working face.Keywords:coal seam under mountain;rock burst;gas control;coal seam stress;permeability收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9作者简介:刘淑红(19 9 6 6 一),女,河南新密人,高级工程师,从事矿井地质与环境保护工作,E-mail:y l y 6 6 8 9 4 6 6 通讯作者:李美晨(19 9 6),女,河南焦作人,研究方向:冲击地压与瓦斯灾害防控,E-mail:9 9 4 4 316 39 q q
11、.c o m。612023年第9 期程生产技术炭煤受山地压力、孔隙、裂隙等因素影响的煤岩冲击性、渗透率,对煤层气赋存,煤层气开发利用,煤炭资源安全开采具有重要意义。山地压覆作用对煤层受力特征、渗透率的影响鲜有研究。煤层受力是表征山地压力大小重要参数,渗透率是表征瓦斯在煤岩体中流动能力的重要参数。山地压力越大,对煤层受力越大,煤岩层渗透率越低,瓦斯流动能力越差。煤岩冲击、渗透率变化与其应力状态密切相关1-3。在弹性变形阶段,随着压力增加,冲击性增强、渗透率一般会出现降低现象4-6 ,煤层冲击地压增强、阻碍着瓦斯的流动7-9 在山地地形条件下,地表标高经常发生剧烈变化,致使煤层的埋深发生剧烈变化。
12、同一层煤,其埋深、应力、渗透率同时发生变化,使得煤层冲击地压、瓦斯赋存表现出较大差别10-12 。这种差异会在工作面回采期间能量事件大小;煤层瓦斯含量和煤巷掘进过程中的掘进瓦斯涌出量中明显地体现出来13-16 。受山地地形的影响,煤层瓦斯压力及渗透率复杂多变17-2 0 1,严重威胁矿山安全、高效开采。目前对该现象研究较少,需要进行分析研究。鉴于此,笔者基于现场统计、理论分析和工程试验,研究了山地压覆煤层冲击地压、渗透率变化规律、瓦斯富集规律、采掘过程中瓦斯涌出规律及冲击地压与瓦斯协同防治技术2 11工程背景1.1山地压覆煤层瓦斯涌出宽沟煤矿为高瓦斯矿井,井田范围内有一起伏较为平缓的北北东向向
13、斜构造,区内地层出露较好,断裂构造不太发育;该矿地貌为山地,地表标高为+1670+1440m,最大相对高差2 30 m。该矿掘进期间绝对瓦斯涌出量如图1所示。随着工作面的掘进,工作面瓦斯涌出极不均衡,主要表现为:区域一,地表标高由154 0 m增加到1550 m时,绝对瓦斯涌出量表现出增大现象;区域二,地表标高逐渐由1550 m增大到157 0 m,绝对瓦斯涌出量也渐进增大;区域三,工作面标高保持在157 0 m,埋深达到最大值,相应的绝对瓦斯涌出量也保持大值;区域四,地表标高迅速下降,绝对瓦斯涌出量也表现出同样趋势。绝对瓦斯涌出量平均值为2.8 2 m/min,区域一绝对瓦斯涌出量为1.17
14、 m/min,相应的区域二为3m/min,区域三为3.3m/min,区域四为2.3m/min,其与埋深变化表现出较好的一致性。地面标高/m154015501570157015565.0区区域二区域三区域四4.0域3.012.0一绝对瓦斯涌出量绝对瓦斯涌出量平均值:1.0区域绝对瓦斯涌出量00100200300400500600700800900工作面掘进距离/m图1工作面回风巷掘进期间绝对瓦斯涌出量变化曲线分析可知,沿巷道走向,煤层瓦斯赋存表现出显著的非均衡现象,山地诱发埋深变化是影响该工作面瓦斯异常涌出的主要因素。1.2山地压覆煤层冲击地压与瓦斯涌出关系为确保研究的可靠性,针对工作面瓦斯涌出
15、量与冲击地压能量之间映射规律的研究,将工作面的日推进进尺L定义为自变量x,工作面监测的冲击地压能量E定义为自变量y,工作面瓦斯涌出量Q定义为因变量z。而后,在大量实测数据的基础上,通过数据的拟合,获得瓦斯涌出量Q与日推进度L、冲击地压日总能量E之间关联的数学模型,表明山地压覆煤层冲击地压显现与瓦斯涌出关系,为进一步研究山地压覆条件下冲击地压显现是否与该条件下瓦斯赋存存在正相关关系。基础数据见表1,拟合关系如图2 所示表1测试数据汇总x/mY/Jz/(m min)00.111057.4630.53 1057.3561.111057.7391.851059.28122.4910511.43瓦斯涌出
16、量13(uu.m)/鲁甲巢121211108948321271051846工作面监测的00工作面的日冲击地压能量/推进进尺/m图2瓦斯涌出量拟合关系由图2 可知,随着自变量x在0 14 m之间和自变量y在0 310 5J之间变化,因变量z在4 62灰2023年第9 期程煤生产技术14m/min之间变化;说明在工作面开采推进的过程中,由于高强度开采,以及山地压覆作用,其工作面区域的冲击地压日总能量增加的同时,工作面瓦斯涌出量也随之增加;瓦斯涌出量Q与日推进度L、冲击地压日总能量E之间较好的服从函数关系:Q=6.90681-0.17987L+1.30546 10-E+0.02309L2.54431
17、0-E2+1.7932810-LxE(1)式中,Q为工作面瓦斯涌出量,m/min;L为工作面的日推进进尺,m;E为工作面监测的冲击地压能量,J。2山地压覆煤层力学模型2.1力学模型的建立采矿工程中,和覆岩厚度相比,煤层厚度极薄,可以简化为梁。为了研究山地压覆煤层的相关特征,建立单一山峰作用下的力学模型,将煤层简化为无限长梁。具体模型及受力分析如图3所示。需要说明的是:山峰外其他上覆岩层自重等效为均布载荷q=h,为岩体容重,h为煤层至地表距离;将山峰对煤层的作用等效为一梯形分布载荷m=bx+c+yh,其中b为斜率,c+yh为0 点处上覆岩层和山的重力;不考虑构造应力作用。W分析范围m=bx+c+
18、yhq-yh煤层0弹性基础图3山地压覆煤层力学模型概化2.2力学模型理论解设梁的宽度为1,建立直角坐标系如图2 所示,根据Winkler弹性地基梁理论,该模型挠曲线可以用式(2)表示14)w=e(Acosax+Bsinax)+e-x(Ccosax+Dsinax)+wo(x)(2)式中:e为自然对数底;为特征系数且a4=K/4EI,K 为地基刚度,EI为抗弯截面刚度;A、B、C和D为待求系数;wo(x)为方程的特解。该模型为轴对称模型,仅对模型w轴右侧部分进行研究,煤层受力可用分段函数为:(m=bx+c+yh,0 xl(3)q=yh,xl取任意微段dx,由力学平衡关系可知,该模型挠度微分方程如下
19、:Wo(x)=C+yhK(4)6W02K式(4)为四阶常系数非齐次线性微分方程,其解由齐次方程的通解和非齐次方程的特解组成。式(4)的非齐次项有两项,可分别求解该式右端第一项特解wo()和第二项特解wo2(x),然后利用叠加原理求得w(x)。求得Wo()和wo2()见式(5),wo()为wor(x)与wo2(x)之和。(a)=+yhWoK(5)6WOK因此煤层挠度方程可以表示为:w=e(Acosax+Bsinax)+ex(Ccosax+Dsinax)+bx+cyh(6)+KK煤层所受名义应力:g=Kw(7)将式(7)代人式(6)可得:=Ke(Acosax+Bsinax)+ex(Ccosax+D
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