保护层无煤柱开采邻近煤层卸压瓦斯运移规律及其应用研究

随着我国煤矿向深部的开采延深，煤层瓦斯灾害越来越严重。在煤层群开采条件下，保护层开采技术已成为突出煤层瓦斯治理的首选技术，但目前保护层开采技术应用中存在一些技术问题亟待解决。根据分析，保护层工作面采用无煤柱沿空留巷Y型通风技术可有效解决保护层开采技术应用中面临的技术难题，而该技术的推广应用还有待解决一系列相关基础理论问题。本项目采用理论分析、模型试验、数值技术及现场应用验证等方法，研究保护层无煤柱开采条件下顶底板煤岩体的应力场变化特征、裂隙发育及透气性时空演化规律，在此基础上建立和完善保护层工作面Y型通风条件"近场"和"远场"的顶底板邻近煤层卸压瓦斯渗流理论及采场瓦斯运移规律，并进行保护层无煤柱开采Y型通风条件下邻近煤层卸压瓦斯及采空区瓦斯抽采工程应用技术基础研究，最后有重点地进行工业性试验，根据试验结果，对上述研究成果进行验证和修正。

本项目利用弹性力学、岩体力学、损伤力学和渗流力学等相关理论，以淮南新庄孜等煤矿的地质条件为研究背景，通过理论分析、相似模拟试验、数值模拟和现场试验等研究手段，系统研究了保护层无煤柱开采条件顶底板煤岩体的卸压特征、移动变形、裂隙发育、被保护层的透气性变化、“近场”和“远场”煤层群开采条件下Y型通风工作面采场瓦斯运移规律及煤层卸压瓦斯抽采技术基础，为保障煤层群的安全开采奠定理论及应用基础。通过3年的研究，获得以后研究成果：. 1）获得了采场顶底板煤岩层内的应力分布规律及裂隙发育特征，沿工作面走向，煤岩体经历原始应力区、支撑应力区、应力降低区和应力逐渐恢复区。在倾向上，保护层工作面采用无煤柱开采技术，可消除由于煤柱留设在被保护层上形成的应力集中现象，可实现被保护层工作面的连续卸压保护。保护层开采过后，采空区顶（底）板煤岩层向采空区方向发生移动变形，在采空区顶板岩层内形成“三带”分布，在采空区底板形成底鼓现象，以裂隙发育为特征，将底板划分为底鼓裂隙带和底鼓变形带。并根据采高对岩层移动的影响，研究获得了保护层的最小开采厚度计算公式。. 2）随着保护层的开采，被保护层先经历压缩变形，而后发生膨胀变形。煤层的透气性变化规律与应力变化、煤层变形规律一致，下被保护层总的透气性系数变化规律为：原始值→小幅下降→大幅增加→稳定→后期下降。在保护层卸压稳定期间内，突出煤层的透气性可提高数百倍。. 3）基于采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型和采动瓦斯流动广义幂定律，建立了采动煤岩变形与瓦斯流动气固耦合动力学模型。结合理论分析及现场试验，获得了煤层群开采条件下Y型通风工作面的瓦斯运移规律及富集区域，并获得了被保护层的卸压瓦斯抽采方法及相关技术参数。被保护层以地面钻井抽采和网格式穿层钻孔抽采为主，还可从沿空留巷中向被保护层施工穿层钻孔，抽采煤层卸压瓦斯。. 4）在淮南新庄孜矿的现场试验表明，通过保护层无煤柱开采技术，62114工作面瓦斯抽排率达77.5%，工作面回风瓦斯浓度降至0.6%以下，卸压范围内煤层残余瓦斯含量降为3.3m3/t，残余瓦斯压力降为0.34MPa，实现了煤层群的安全开采。