GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8897260 8897260 研究文章 关键层对气体的影响煤层下行泄漏法在双系统 杜 冯 1 焦 库恩 1 https://orcid.org/0000 - 0003 - 0859 - 4360 马 Zhanyuan 2 胡 国众 1 能源科学与工程学院 河南理工大学 焦作 454000年河南 中国 hpu.edu.cn 2 大同煤矿集团有限公司 大同 037003年山西 中国 2020年 10 9 2020年 2020年 24 5 2020年 28 6 2020年 27 8 2020年 10 9 2020年 2020年 版权©2020杜冯et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在大同矿区、公司和其他有害气体被排放的采空区在侏罗纪表土地层石炭纪煤层的面板。为此,童心的面板8309在大同煤矿矿区为工程背景;CO浓度的变化规律上的面板和矿山压力的法律通过现场测量,研究了周期运动的影响的关键层向下渗漏有害气体定律进行了分析。本文的断裂规律覆岩关键层和裂缝发育特征的相似的模拟试验,进一步研究了影响周期性运动的通路上的关键层形成向下的气体泄漏进行了分析。结果表明,向下有害气体泄漏的主要原因在侏罗纪采空区是通过断裂产生的裂缝的关键层就越高。如果更高的关键层骨折在煤炭开采石炭系系统,通过断口连接上面的侏罗纪采空区open-off剪切和面板的上部形成和气体向下渗漏产生的有效途径。更高的关键层的断裂和旋转都伴随着的形成和消失的有效途径对天然气向下渗漏上方的面板。有害气体放电的周期变化引起的面板和符合矿山压力的法则。

 河南省高等教育重点研究项目的基础 19 a130001 为河南大学的基础研究资金 NSFRF200302 项目为河南省高校科技创新人才 19 hastit047 中国国家自然科学基金 51704095 51774110 U1904128 1。介绍

大同矿区侏罗系和石炭系煤层。目前,上侏罗纪煤炭资源几乎筋疲力尽,和下石炭系煤层超已成为主要煤层开采( 1, 2]。石炭纪煤层通常与大厚度、开采和岩层的破坏区域通常与高度发达矿业骨折(放大 3]。因此,骨折很容易与侏罗纪煤层采空区的互动(缩写为侏罗纪采空区)和石炭纪煤层;和向下的有害气体泄漏(如公司)可以从侏罗纪采空区引起的,严重影响了安全、高效开采石炭系煤层( 4]。

向下的侏罗纪采空区有害气体的泄漏主要是由于岩层采动裂隙的间隔层的双系统煤层。许多学者研究了上覆岩层断裂特征的发展规律和覆岩采动断裂。白和Lsworth 5]和Palchik [ 6验证,有三个不同的区域在长壁开采覆岩移动,即屈服区,断裂带和弯曲变形区。刘( 7系统研究和总结了岩层采动覆岩的变形和破坏中国的煤矿。此外,勘探的发展高度的计算公式得到了断裂带[ 8- - - - - - 10]。辛格和Kendorski 11)提出了水体之间的锁水岩层的重要性,1981年吐唾沫。这项工作起着重要的指导作用下煤层的安全开采。然而,上覆岩层结构的影响,骨折类型和地层的整个运动的发展输水骨折不被认为是在这些研究。钱等。 12]提出了关键层控制原理和得出结论,关键层发挥决定性的作用在控制地层移动和矿业发展的断裂。居和徐 13和李et al。 14]研究了长壁的关键层的结构特征的脸完全机械化开采对矿山压力及其影响。Zhang et al。 15旷]和et al。 16)确定了关键层断裂和运动定律通过原位调查。基于关键层理论,苗族等。 17王),et al。 18和冯et al。 19]提出的概念和原理的防水关键层开采与水保护,建立了复合防水关键层的力学模型,并成功地应用突水灾害的预防和控制的屋顶和地板上,在矿区水资源保护 20.]。基于关键层理论,徐et al。 21和王et al。 22)的影响研究覆岩主关键层位置的发展高度的输水断裂和提出了一个预测方法的高度的输水断裂带的覆岩关键层的位置( 23]。杜et al。 24]分析了断裂的发展模式输水区在长壁开采厚煤层的安全开采Zhuozhang河。你和傅 25),等。 26),和吴 27]进行研究煤层气体迁移途径,获得了关键层的影响瓦斯抽放和范围的影响。此外,关键层的可靠性理论应用于天然气开采领域工程应用验证了。此外,马等。 28]研究了水流在矿业裂隙岩体的特征。如果et al。 29日),赵et al。 30.王,et al。 31日)提出了一个系统的调查矿区的渗透流场的特点。

目前,许多学者研究了上覆岩层破坏的发展规律特点及采动覆岩断裂,和煤层开采厚度低于8米( 32, 33]。然而,平均厚度在大同矿区石炭系煤层超15米,和岩层的破坏区域通常与高度发达矿业骨折(放大 34, 35]。向下的侏罗纪采空区有害气体的泄漏主要是由于岩层采动裂隙的间隔层的双系统煤层( 36- - - - - - 38]。因此,研究开发定律覆岩层采动裂隙的断裂特征和大同矿区应系统地进行。

总结,关键层理论已经被应用于输水断裂带的发育规律岩层采动裂隙演化和瓦斯抽放。的发生和开采条件的双系统在大同矿区煤层,面板8309我童心的,大同矿区作为研究背景;关键层理论、物理实验和野外测量被用来研究断裂规律和裂缝发育特征的双系统的间隔层煤层。此外,周期性运动的影响的关键层气体向下渗漏途径和瓦斯抽放法进行了分析,以保证双系统的安全、高效开采煤层。这项研究提供了一个双系统理论指导煤矿的煤层。

 2。面板和关键层的识别 2.1。面板的概述

童心的面板8309矿位于第三矿区童心的我在大同矿区。3 - 5 #煤层开采石炭系系统。煤层的平均厚度为14.88米,平均埋深580米,倾角是0 - 3°。面板的长度是2843米,倾斜的长度是200米。采用长壁开采和提取通风方法。侏罗纪14 #煤层采空区是覆盖在面板上的8309年,200 - 240米的间距。有很多水和侏罗纪采空区有害气体,严重影响了安全、高效开采的面板。在侏罗纪煤层采空区上方的面板8309从open-off削减到1283包括81003年面板,面板81005年,81006年面板,面板81008;除此之外,在侏罗纪煤层采空区上方的面板8309从1809 nonmining线包括面板8902 - 3、8902 - 2的面板,面板8908和8906中所示的面板。

 2.2。关键层识别

根据岩层控制的关键层理论和防水关键层理论对矿业与节水( 8),稳定性的关键层间隔层的双系统煤层中起着决定性的作用在覆采空区的瓦斯抽放。岩层控制的关键层是指全部或部分上覆岩层运动从上覆岩层表面。如果结构关键层不骨折后采矿、骨折不能扩大,发展,或形成一个有效的瓦斯抽放通路。因此,结构关键层gas-resisting关键层。研究双系统之间的关键层的影响煤层上覆采空区有害气体向下渗漏,核心是钻孔布置在中间面板的8309。力学参数的标准煤岩石样本被rmt - 150 b岩石力学测试实验系统,和覆岩关键层的位置的面板是决定根据关键层歧视情况( 7),如表所示 1。

1 #钻孔柱的物理力学参数和煤层。

岩性 厚度(m) 埋深(米) 单位重量(kN·m3) 抗拉强度(MPa) 弹性模量(GPa) 关键层位置
侏罗纪系统 细砂岩 6.44 346.13 27.00 6.40 44.65
粉砂岩 8.21 354.34 26.04 4.89 37.29
煤层14 2.90 357.24 14.26 4.20 4.20
粉砂岩 8.57 365.81 26.04 4.89 37.29
砂质泥岩 6.48 372.29 26.81 4.40 38.07
中等粒度的砂岩 4.30 376.59 26.54 5.72 38.90
泥岩 4.20 380.79 27.52 2.72 29.40
粗粒度砂岩 3.64 384.43 25.40 2.56 18.28
中等粒度的砂岩 3.35 387.78 26.54 5.72 38.90
泥岩 9.06 396.84 27.52 2.72 29.40
细砂岩 1.60 398.44 27.00 6.40 44.65
泥岩 2.03 400.47 27.52 2.72 29.40
细砂岩 4.30 404.77 27.00 6.40 44.65
泥岩 17.31 422.08 27.52 2.72 29.40
细砂岩 5.27 427.35 27.00 6.40 44.65
粉砂岩 42.01 469.36 27.52 2.72 29.40 更高的关键层
砂质泥岩 7.27 476.63 26.81 4.40 38.07
细砂岩 3.00 479.63 27.00 6.40 44.65
砂质泥岩 2.04 481.67 26.81 4.40 38.07
粗粒度砂岩 6.37 488.04 25.40 2.56 18.28
粗砂岩和砾石 4.57 492.61 25.28 3.20 15.33
粗粒度砂岩 3.23 495.84 25.40 2.56 18.28
粗砂岩和砾石 2.80 498.64 25.28 3.20 15.33
粗粒度砂岩 5.54 504.18 25.40 2.56 18.28
粗砂岩和砾石 12.74 516.92 25.28 3.20 15.33 降低关键层
粗粒度砂岩 5.84 522.76 25.40 2.56 18.28
粗砂岩和砾石 6.97 529.73 25.28 3.20 15.33
泥岩 5.20 534.93 27.52 2.72 29.40
二迭系系统 砂质泥岩 3.57 538.50 26.81 4.40 38.07
粗粒度砂岩 6.17 544.67 25.40 2.56 18.28
砂质泥岩 4.10 548.77 26.81 4.40 38.07
中等粒度的砂岩 2.37 551.14 26.54 5.72 38.90
粗粒度砂岩 2.40 553.54 25.40 2.56 18.28
砂质泥岩 5.94 559.48 26.81 4.40 38.07
粗粒度砂岩 3.10 562.58 25.40 2.56 18.28
泥岩 6.74 569.32 27.52 2.72 29.40
砂质泥岩 1.87 571.19 26.81 4.40 38.07
粗粒度砂岩 5.34 576.53 25.40 2.56 18.28
石炭系 砂质泥岩 1.60 578.13 26.81 4.40 38.07
煤层3 - 5 14.05 592.18 14.26 4.20 4.20
砂质泥岩 4.00 596.18 26.81 4.40 38.07

从表可以看出 1眼前的地板面板由砂质泥岩厚度为4米,和眼前的屋顶主要由粗粒度的砂岩和砂质泥岩。有侏罗纪14 #煤层和采空区上方220.89面板中,有两个覆岩中关键层。关键层越高123.08米的距离是3 - 5 #煤层,小于10倍的开采高度。根据预测方法对输水断裂带的高度提出的徐et al。 21),侏罗纪的有害气体在14 #煤层采空区将出院后面板8309关键层都折断了。

 3所示。实验分析周期性运动的关键层向下和天然气泄漏 3.1。公司8309年小组观察计划

研究气体向下渗漏的侏罗纪14 #煤层采空区上方的面板8309年,公司被作为监测对象的排放气体,和8个观察点的CO浓度的设计和安排小组8309年headgate 2309年,5309年后挡板。图中所示 14点测量CO浓度在200米长的小组统一安排。现场测量的准确时间是6月14日,2018年,2018年7月13日。测量分1和4对应面板的上部和下部的角落,和两个计量点安排50米和100米的上下角headgate 2309年和5309年后挡板。每个测点CO浓度的实时监测通过CO体积浓度传感器,如图 2。

8309年公司测量分面板布局。

有限体积浓度传感器。

 3.2。周期运动的关键层对气体的影响下泄漏

通过每个观测点的CO浓度,发现公司的侏罗纪14 #煤层采空区排放面板8309下负压效应。自上隅角位于返回的面板和接近的三角形区域上的回风巷和采空区的边缘,角落上的CO浓度显著影响。基于CO浓度的监测结果的上部角落小组从6月13日到14和矿业58 #支持获得的压力曲线中间的面板中,周期性运动的影响的关键层向下气体泄漏进行了分析。如图 3,有大型和小型的矿山压力的面板。小周期开采压力测量步骤为24米,40米,34米,等,和平均压力的步骤是33 m;大周期压力测量步骤64,58米,等,和平均压力的步骤是61米。大周期开采压力步骤两倍的小周期挖掘的压力。上角CO浓度的变化呈现周期性变化,这与矿山压力法的法律是一致的。非周期的和小的周期性矿山压力、CO浓度很低,而在大周期开采压力、CO浓度显著增加。

CO浓度和矿山压力曲线上的面板。

根据钻井列在表 1和矿山压力和地层控制的理论 7),大型和小型周期挖掘的主要原因压力的面板有两个覆岩中关键层的面板。下关键层破时,一个小周期开采形成的压力,当较低的关键层和更高的关键层破碎的同时,大周期开采形成的压力。双系统煤层在开采过程中,采动裂隙生成在间隔层,可以排放有害气体通过气体泄漏途径石炭纪面板由矿业骨折。因为进化的关键层控制矿业骨折,可以推断,较高的关键层的周期性断裂将改变气体泄漏通道,造成周期从侏罗纪采空区有害气体的泄漏。

 4所示。相似模拟实验的关键层断裂和裂缝发展 4.1。相似模拟实验的设计

进一步研究的周期运动的影响关键层的演化特征气体泄漏途径和气体泄漏法律,类似的仿真实验的关键层断裂和裂缝发展法律执行基于项目背景面板的8309。在这种类似的仿真实验,类似大小的模型框架 2.5 × 1.3 × 0.2 米( 长度 × 高度 × 宽度 )被选中。模型的几何相似比为200:1,实际铺设高度是1.28米,和模拟的高度是256.49米。模型的单位重量比为1.5:1,所以压力模型的相似比是300:1,nonsimulated积层的厚度为339.69米,和负载模型的上部为0.028 MPa。为测试材料、砂作为骨料;水泥、碳酸钙和石膏胶凝材料;硼砂作为缓凝剂;和云母层状材料。

相似模拟实验的理论基础包括几何相似、运动相似和动力相似。类似的仿真模型如图 4。清楚地观察3 - 5 #煤层的裂缝发育特征和间隔层14 #煤层开挖期间,模型铺设后,煤层和关键层颜色与黑色颜料和黄色油漆,分别在前面模型的,剩下的地层与石灰粉刷。同时,10厘米的网格线的间距是用墨水画桶。

类似的仿真模型。

 4.2。实验过程和实验结果

在开挖之前,该模型加载载荷为0.028 MPa。减少边界效应模型的平台,30厘米保护柱子两端预留的煤层。在模型中,14 #煤层开采,然后3 - 5 #煤层,所有这一切是从左边的挖掘模型5厘米每30分钟。

相似模拟实验结果表明,在3 - 5 #煤层开挖的关键层的断裂是伴随着加载覆岩的运动和裂缝发展。如图 5当较低的关键层断裂,通过骨折形成,覆岩关键层的控制同步,和裂缝发展迅速的下部更高的关键层;当更高的关键层断裂,覆岩纵向裂缝是由14 #煤层底板。通过对实验结果的分析,认为较低的层的关键层在前面板直接崩溃,和关键层的稳定性是由间隔层的断裂和裂缝发展的双系统煤层。因此,两个关键阶段的较低的断裂和更高的关键层根据实验结果进行了分析。

同时断裂的关键层和覆岩。

骨折的较低的关键层

高等关键层的断裂

 4.2.1。准备骨折的较低的关键层

当面板开采open-off削减60米,第一个直接屋顶发生崩溃。面板进步到120米,表土地层的裂缝高度达到关键层越低,和分离区出现在面板的底部和逐渐扩大的面板。面板开采160米时,降低关键层第一次骨折。如图 6(一),由于长时间定居在分离区附近open-off剪切和大型岩石层的压实度,较低的关键层提供了一个非对称断裂结构,和一些上面的岩层崩溃。与主断裂的关键层越低,纵向裂缝贯穿下关键层的下部和发展完整的层分离区。此时,纵向裂缝和分离区两边互相连接,导致trapezoidal-shaped崩溃在模型中。

降低关键层的断裂特征。

较低的关键层的主要断裂

定期下关键层断裂

当面板开采200米,第一周期断裂发生在较低的关键层,覆岩和完全崩溃。同时,分离区和纵向裂缝迅速发展的下部更高的关键层,如图 6 (b)。前面板,周期性断裂继续发生在关键层越低,平均周期断裂步30米的距离。因为较高的关键层不破碎,裂缝向上发展的阻碍,trapezoidal-shaped崩溃的岩层的发展对区域小组而不是更高的关键层。地板失败在侏罗纪煤层气体向下渗漏,具有重要影响,因为矿业骨折造成的地板在侏罗纪煤层失败是主要的有害气体泄漏通道。

 4.2.2。更高的关键层断裂

越高的断裂特征关键层开采过程中如图所示的面板 7。面板开采300米时,高和低同时关键层断裂。第一次骨折的关键层越高,底部在14 #煤层采空区的地层,由更高的关键层控制,同时断裂。同时,更高的覆岩关键层裂缝迅速发展的底部在14 #煤层采空区,和三个纵向缝隙连接在14 #煤层采空区上方形成断流器孔,面板,如图 7(一)。由于大岩石压实程度的断流器孔,通过裂缝2是倾向于断路器的一方孔。面板进步到360米时,第一个周期断裂发生在关键层越高,一步的距离约为60米。同时,通过断裂形成一个新的面板上方,如图 7 (b)。

较高的关键层的断裂特征。

较高的关键层的主要断裂

周期性断裂的关键层就越高

根据断裂和裂缝发展的主要特征的关键层开挖过程的模型,它是获得低的周期断裂步距和更高的关键层开采过程中小组8309年大约30米和60米,分别;高等关键层断裂步的距离是较低的关键层的两倍,这基本上是符合大型和小型周期性矿业58 #支持的压力曲线中间的面板。

的煤炭开采石炭系系统,通过骨折骨折造成的较高的关键层的向下渗漏的主要原因在侏罗纪采空区有害气体。关键层旋转和裂缝闭合的现象发生在相似模拟实验结果,这是由更高的关键层控制。如果更高的关键层断裂完全开采石炭系系统的面板后,通过骨折连接侏罗纪采空区上方会形成断流器孔的上部面板,导致有害气体泄漏的产生途径。周期性断裂的关键层越高,一个新的面板上面会出现断裂,成为一个新的天然气向下渗漏途径。

 5。分析的关键层的影响气体向下渗漏法在双系统煤层的开采 5.1。关键层对进化定律Gas-Conducting骨折

一般来说,有多个关键层煤层的双系统。基于关键层理论,gas-conducting断裂的演化规律分析,当有两个关键层上覆岩层。3 - 5 #煤层开挖的石炭系系统,当较低的关键层断裂与前面板中,较低的关键层位于open-off削减,和岩石破碎块面板上方旋转。的两端回转块与相邻关键层堵塞或破裂岩石块形成4个gas-conducting骨折。下关键层断裂,软岩层控制区域覆盖较低的关键层同步骨折,骨折和gas-conducting发展软岩的层和延伸到更高的关键层的底部。如果更高的关键层没有骨折或失去稳定(面板前进的距离不足),更高的gas-conducting骨折关键层及其控制软与侏罗纪采空区岩层不能连接,向下和气体泄漏不会造成,如图 8。

分配图gas-conducting骨折骨折前更高的关键层。

持续推进的面板,如果更高的关键层断裂以及采矿、软岩的层的上部同时高等关键层断裂以及关键层越高,断裂场在更高的关键层的上部连接侏罗纪采空区和形成一个有效的气体通路与骨折较低的关键层的控制区域,并在侏罗纪采空区有害气体进入下行随着有效气体通路采空区open-off削减和面板,如图 9。应该注意的是,随着矿业的发展活动,较低的关键层旋转周期性断裂和结算。gas-conducting骨折(包括gas-conducting断裂上控制软岩层)背后的面板关闭结算接触,和gas-conducting能力急剧降低。然而,新破碎岩石块形式新gas-conducting骨折前面板。如果关闭骨折没有考虑,周期性断裂的关键层越低,有效gas-conducting骨折的数量和容量下关键层及其上覆岩层地层与后者的关闭不减少骨折。

分配图gas-conducting断裂领域第一个高等关键层断裂。

当更高的关键层骨折与采矿、定期gas-conducting骨折的软层,低,和更高的关键层中间的采空区逐渐关闭,消失,和gas-conducting能力急剧下降。附近的开采覆岩断裂open-off削减和开发小组,和四个有效的气体泄漏途径形成关键层越低,关键层越高,覆岩控制的软地层,如图 10。

gas-conducting断裂场的分布图表在周期性断裂更高的关键层。

 5.2。分析关键层对气体向下渗漏的影响

在开采条件下的双系统在大同矿区煤层,周期下行的主要原因在侏罗纪采空区有害气体泄漏的断裂和旋转关键层就越高。nonpressure和小型矿山压力的情况下,更高的块关键层上方的面板将在相反的方向上,更高的关键层及其上部gas-conducting裂缝迅速关闭,导致有效的气体通路的消失。在侏罗纪采空区有害气体主要是排入石炭纪煤层采空区的有效气体通路open-off上面。在关闭状态,有稳定的有害气体排放到面板通过采空区石炭系系统。在大周期开采压力,更高的关键层的旋转和断裂导致新的有效gas-conducting通路的形成,以及有害气体石炭纪的面板系统大幅增加。

总之,双系统条件下的煤层开采在大同矿区石炭系煤层开采时的下部侏罗纪吐唾沫,如果有强大的矿山压力的面板,有效措施,如使用压力均衡通风系统应采取的隐患及时消除有害气体向下渗漏从侏罗纪采空区面板。

 6。结论

CO浓度的变化在面板上角8309年周期变化,这是符合矿业法律的压力。nonpressure和小周期的矿山压力、CO浓度很低,而在周期开采压力大的情况下,CO浓度显著增加。

向下有害气体泄漏的主要原因在侏罗纪采空区是通过骨折断裂产生的更高的关键层。如果更高的关键层骨折在煤炭开采石炭系系统,通过断裂连接侏罗纪采空区上方会形成open-off削减和面板。

在开采条件下的双系统在大同矿区煤层,周期下行的主要原因在侏罗纪采空区有害气体泄漏是高等关键层断裂和旋转。侏罗纪时采空区上覆于石炭系煤层在开采过程中,一旦强大的矿山压力出现在面板中,必须采取有效的措施及时消除隐患的向下有害气体泄漏侏罗纪采空区的面板。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(U1904128, 51774110, 51704095)和程序为河南省高校科技创新人才(19 hastit047),河南大学的基础研究基金(NSFRF200302),为高等教育的关键和基础研究项目由河南(19 a130001)。

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