复杂构造下保护层开采卸压瓦斯异常涌出机制及定量溯源技术
陈学习1
陈星宇1
胡嘉英1
周爱桃2
肖健3
孙际宏2
严志龙4
1.华北科技学院矿山安全学院,北京 1016012.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 1000833.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西 西安 7100544.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001
摘要：保护层开采是瓦斯灾害防治的有效技术手段,开采过程中工作面异常涌出问题是矿井安全生产的重要威胁.以象山煤矿 21313工作面为研究对象,基于地质统计法数值建模实现 21512工作面瓦斯地质精细反演,通过FLAC3D-COMSOL耦合模拟分析了复杂构造应力下保护层开采的力学演化规律及卸压增透机制,探究了开采后本煤层、邻近层瓦斯运移和瓦斯涌出量规律,结合现场统计、碳同位素测试、数值模拟对比分析实现了工作面异常涌出定量溯源,并针对性采取了底板卸压拦截定向长钻孔抽采措施.结果表明:当保护层工作面由 40m推进至 200 m时,底板塑性破坏深度由 8.5 m增至 25 m,最大垂直应力由-19.09 MPa上升到-29.17 MPa,最大应力释放率由62%升至 100%,反映随着推进距离的不断增加,煤岩层受采动破坏明显,底板岩体裂隙发育贯通到5号煤层,卸压范围及程度不断增大.开采200 m后工作面,计算得知保护层走向卸压角为66°、倾向卸压角为 62°,5号煤渗透率约为原始煤层的 600倍,卸压增透效果明显.随保护层工作面推进距离增大,瓦斯压力降低幅度及范围增大,本煤层、邻近层最大瓦斯压力在开采 90d时,下降幅度分别为 3.7%、19.4%;瓦斯总涌出量随着推进距离增加而上升的同时,邻近层绝对瓦斯涌出量占比逐渐上升,推进到 200 m时,邻近层绝对瓦斯涌出量占比 63.00%.通过综合运用现场统计数据、碳同位素测试结果以及数值模拟方法的对比分析表明,采空区、上隅角瓦斯各来源比例随工作面向前推进基本保持稳定,瓦斯主要来源于邻近层,采空区、上隅角的邻近层瓦斯占比平均值分别为 77.99%、49.33%,数值模拟得到的瓦斯涌出量略大于实测瓦斯涌出量,邻近层瓦斯涌出量占比小于实测值,增长趋势两者相符合.采取卸压瓦斯精准治理措施后,卸压瓦斯抽采率为55.80%、55.01%,工作面风排瓦斯量至少下降 62.06%,回风流甲烷质量分数至少降低了 52.38%,保护层工作面及被保护层瓦斯治理效果明显,实现了复杂构造矿区多煤层综合瓦斯精准治理.
关键词：保护层开采瓦斯运移耦合模拟瓦斯涌出量定量溯源
分类号：TD712.5(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52174181)河北省省级科技计划资助项目(22375401D)河北省青年科学基金资助项目(E2024508014)
论文发表日期：2025-05-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 2509-2526 )
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