针对七台河分公司煤与瓦斯突出矿井数量的增加,以及进行采掘活动的个别煤层瓦斯压力超过了突出危险性临界指标的现状,以研发和推广综合防突技术为目标,结合新兴煤矿和新建煤矿的具体情况,探索保护层开采结合卸压抽采、底板岩巷预抽瓦斯等先进适用技术,分析了该项技术的实施方案及作用,论述了薄煤层大倾角特殊地质条件下治理瓦斯、防治突出事故的综合治理措施及实施效果。

为了保证被保护层瓦斯的消突和治理工作,掌握保护层开采的卸压效果和预测卸压瓦斯的主要分布区域,运用UDEC离散元模拟得到了下保护层开采后被保护层的卸压效果、瓦斯运移规律及分布情况,并根据模拟结果相应地提出了留巷钻孔法抽采卸压瓦斯,实现了无煤柱开采,消除了被保护层应力集中区煤与瓦斯突出危险威胁。经现场实测抽采后3号煤层瓦斯压力降低了1.36 MPa,瓦斯含量降低了9.51 MPa,抽采效果良好。

运用FLAC3D数值模拟软件,分别对埋深600、800、1 000 m和侧压系数0.5、1、1.5情况下煤层底板岩巷顶底板和两帮的垂直、剪切应力分布规律进行了模拟分析。结果表明:随着侧压系数的增加,巷道帮部围岩垂直应力呈递减状态,剪切应力、顶底板围岩垂直应力呈增大趋势;随着煤层埋深的增加,巷道围岩垂直、剪切应力集中区范围不断增大,峰值点位置逐渐向巷道围岩深部移动。研究结果对巷道合理支护选择具有指导意义。

采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,研究了中平硐煤矿4煤已采区域上方3煤上行开采的可行性。理论分析表明:3煤层处于垮落带之上;煤层间距大于上行开采必要层间距;FLAC3D数值模拟表明:在不同水平应力下,随侧压系数增大,采空区上覆岩层塑性区的范围不断扩大,塑性区发育高度经历了先减小后增大的过程;3煤垂直位移先增大后减小,最大位移距离不超过200 mm,综合以上结论,3煤上行开采可行。

为分析侧压系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响,采用FLAC3D软件对矩形巷道不同侧压系数条件下的塑性区分布进行模拟研究。假设理想化的地质采矿力学环境,建立4组侧压系数数值模型,分析侧压系数对矩形巷道塑性区的影响。可以看出,侧压系数为0.5、1.5、2.0时,塑性区扩展形貌呈椭圆形,但侧压系数为0.5时,椭圆形的长轴在x轴,侧压系数为1.5、2.0时,椭圆形长轴在y轴,侧压系数为1.0时围岩塑性区扩展范围近似圆形,随侧压系数增大,塑性区扩展形貌由长轴在x轴的椭圆形逐渐过渡至长轴在y轴的椭圆形,且扩展范围逐渐增大。可以得出,顶板随侧压系数增大,破坏范围变化速率先增大后减小,底板随侧压系数增大,破坏范围变化速率先减小再增大后减小,两帮变化率一致,先增大后减小再增大。

采用理论分析研究双向不等压井壁结构的应力分布规律,利用大型数值计算软件,分析不同侧压条件下井壁的合理结构及布筋。研究结果表明:当井筒布置于不同侧压环境中,传统的等厚度的圆形井壁稳定性差,局部甚至会出现拉应力而导致井壁结构失稳;采用外壁为椭圆,内壁为圆的井壁结构可以调整井壁上的应力分布,维护井壁结构的稳定性;采用传统的等厚度井壁结构,如做适当地布筋调整,同样可以维持井壁结构上的应力分布合理,维护井壁结构的稳定;在采用布筋调整井壁应力分布时,应在侧压力小的方向加强布筋。

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