多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术

戊9-10-22290工作面为平煤六矿三水平二采区的孤岛工作面,风巷外段在采掘服务期间将会受到上覆戊8及下伏五矿己组回采影响,采掘时空关系异常复杂。目的为探讨多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术,方法基于采掘工作面应力时-空演化关系,提出平煤六矿戊9-10-22290工作面风巷外段全生命周期内的围岩控制方法,并进行现场工程应用。结果结果表明:上覆近距离煤层开采后,巷道顶板出现拉剪破坏;本煤层和下伏煤层回采过程中,巷道将逐段受到超前支承压力作用;根据巷道围岩所处的扰动时-空过程和高应力环境,提出“高预应力高强锚杆+锚索+深孔爆破卸压”的抗压-让压-卸压相结合的综合围岩控制技术。现场工业性试验表明,巷道服务期间两帮最大变形量为347 mm,顶板下沉和底板鼓起均在可控范围内,能够满足矿井安全生产需求,取得较好的技术和经济效益,结论研究结果可为类似条件下的回采巷道围岩控制提供参考。

平顶山矿区多煤层卸压立体抽采模式与工程示范

平顶山矿区多煤层发育、含气层段多,仅靠井下进行瓦斯治理工程量大、难度高。为了开辟平顶山矿区瓦斯抽采新模式,达到“采一层抽多层”的目的,采用气测录井与含气量测试相结合的方法精准判识了煤系主要含气层段和含气量;采用体积法评价了东部5对矿井采动区和采空区的煤系气资源量。基于“O”形圈理论和“防-抗-让”思想,分别优化设计了采动井、采空井的井位、层位和井身结构,构建了采动区、采空区多煤层卸压立体抽采模式并进行了工程示范。结果表明:(1)二_(1)煤层顶板200 m范围内存在四煤组、三煤组、二_(1)煤层顶板60 m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段等3处主要含气段。平顶山矿区东部5对矿井的采动区和采空区资源量分别为26.36×10~8 m^(3)和20.00×10~8 m^(3)。(2)采动井最佳井位为0.17~0.28倍采长,且靠近回风巷条带区域;走向上,采动井的间距一般为80~100 m。创建了“大口径、避开岩体变形强烈区、P110梯型扣套管”的采动直井稳孔技术体系和“下行水平轨迹+提高套管强度”的采动L型水平井稳产技术体系,保证了产气通道的畅通性。采空井一般布置在距离回风巷30~50 m的区域,完钻位置一般为二_(1)煤层顶板40~60 m的范围;筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部。(3)建立了“地面采动直井/定向井-采动L型水平井-采空井”联作的卸压立体抽采模式,实现了多气源立体抽采。截至2024年4月30日,累计抽采纯量达5258.8万m^(3),总利用量达到3735.4万m^(3),率先在河南省实现了煤系气产业化开发,示范和引领带动作用显著。

河流下多煤层开采安全性及保护技术

我国新疆地区干旱缺水,艾维尔沟河作为新疆一条具有重要地理特征和环境影响的河流,其对于流经区域的经济、生态都具有重要意义,因此在艾维尔沟河下进行煤炭开采时,既要保证矿井安全也要保证河流的正常使用。采用理论分析、数值模拟等方法对河流下多煤层开采安全性及河流保护技术进行研究,通过理论计算得到多煤层开采条件下,覆岩导水裂隙带发育高度(11401工作面为41.9 m、1502工作面为110 m、11401工作面为113.8 m)并绘制剖面示意图;同时,采用数值模拟方法对覆岩导水裂缝发育形态及高度进行确定,最终基于导水裂隙带高度(117.8 m)与最小煤层埋藏深度(191.5 m)的相互关系,确定河流下开采是安全的可行的。在保证河流下煤层安全开采的前提下,通过分析离层注浆原理,并结合采动影响特征参数及工程现场,提出了以离层注浆为主,河道防渗及优化开采设计为辅的多手段对采动影响范围内地表特定目标的精准保护技术。根据实际采矿地质条件,采用概率积分法计算试采工作面开采前后河道位置处地表移动变形,计算结果显示:采用离层注浆精准保护技术后,河道的最大水平变形值(2 mm/m)未超出允许坝体的极限变形值(2.5 mm/m),所以采用离层注浆精准保护技术可以实现,井下安全开采的同时,保证河道的正常使用。通过对河流下多煤层开采的安全性及保护技术的分析研究,为矿山绿色开采提供参考和借鉴。

浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术。研究结果如下:(1)揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的“薄、中、厚”煤层交错分布协调开采技术;(2)提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;(3)通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝“土壤重构–原位充填–微地形改造”组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷。上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑。

西部矿区多煤层采动地表沉陷无人机观测方法研究

西部矿区煤矿开采具有浅埋深、薄基岩、多煤层开采、地表环境脆弱等特点,为化解开采地表沉陷传统观测方法覆盖范围小、作业强度高、自动化程度低等难题,引入无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)摄影测量技术观测并分析某煤矿工作面地表沉陷规律。结果表明:UAV摄影测量观测开采沉陷的中误差为4.4 cm,满足地表沉陷整体观测需求;获取的2.53 km^(2)测区范围内地表整体沉陷模型可准确反映矿区地表沉陷区域及沉陷幅度;受多煤层开采影响地表沉陷模型呈不均匀盆状,沿工作面走向、倾向沉陷曲线均呈现不对称现象,最大沉陷值3.18 m。

多煤层开采终采线外错对冲击地压影响机理研究

为研究冲击地压多煤层同时开采终采线外错对冲击地压的影响,以台格庙矿区地质条件为工程背景,采用FLAC3D对下部2-2煤层终采线与上部2-2上煤层终采线的6种不同错距进行数值模拟分析,基于模拟结果和理论分析研究了终采线不同错距煤层应力分布特征以及下部煤层终采线外错对上覆顶板铰接结构的影响。研究表明:当下部煤层终采线外错时,工作面超前应力集中程度增加,同时下部煤层开采可能破坏上部顶板铰接结构,造成变形失稳,动静载荷叠加作用使得下部煤层终采线外错后冲击风险大幅增加,由此提出了优化终采线位置、预裂上部煤层顶板和实施下部煤层卸压3种防治途径。

近距离多煤层下行重复采动覆岩变形与裂隙演化特征研究

随着地壳浅部易采煤炭资源的逐渐枯竭,复杂地质条件下的多煤层开采将成为新常态。由于多煤层开采对上覆岩体造成极大的重复扰动,导致覆岩的垮落、移动与裂隙演化规律相较于单一煤层开采更加复杂。为了研究多煤层下行重复采动条件下覆岩变形与裂隙演化特征,本文以陕北神府矿区张家峁煤矿4^(-2)煤层、4^(-3)煤层、4^(-4)煤层、5^(-2)煤层开采为研究对象,进行了几何相似比1∶100的相似模型试验和UDEC数值模拟研究。张家峁煤矿四层煤层下行重复采动物理相似模拟和数值模拟分析结果表明,周期来压步距随下行开采呈逐渐减小的规律,冒落带高度与煤层厚度正相关,4^(-2)煤层开采后导水裂隙带贯穿至地表,4^(-3)煤层、4^(-4)煤层、5^(-2)煤层开采结束后,导水裂隙带均贯穿层间覆岩。顶板围岩在反复拉伸、挤压作用下,破碎程度逐渐增大,且多为未闭合裂隙。研究结果可以为多煤层开采条件下的顶板管理和开采设计提供理论层面的参考和指导。

多煤层复合采动顶底板裂隙带发育规律研究

基于友众煤矿多煤层复合采动顶底板裂隙发育情况,分别采用理论计算、数值模拟和钻孔实测等方法进行研究,计算统计出150202工作面顶板垮落带发育高度分别为40.11~63.09 m、50.2 m、54~57 m,3种方式结果变化范围基本一致。结合矿井地质条件和研究结果可知,15号下煤层采动裂隙带在无构造区域内不会导通上覆3号、6号含水层,在贯穿性断层或陷落柱赋存区域内存在联通导水的可能性。因此,煤矿制定“物探先行、钻探验证、查清构造、上防下采”的防治水原则,为相关类型矿井生产提供依据。

多煤层开采顶板导水裂隙带发育高度模拟分析研究

针对由顶板覆岩破坏而导致的矿井水害问题,以A煤矿一、二水平工作面为工程背景,采用力学理论分析与数值模拟等方法,分析了该煤矿多煤层开采条件下导水裂隙带发育高度特征,探讨了9号煤层回采不同距离时覆岩运移特征。结果表明:在4+5号及8号煤层回采结束后的重复采动过程中,9号煤层导水裂隙带与8号煤层贯通;9号煤层斜长200 m,工作面割煤回采引起导水裂隙带发育高度约为144.95 m,对8号煤层导水裂隙带发育高度影响不明显,对4+5号煤层导水裂隙带发育高度造成一定影响。对复杂开采条件下顶板导水裂隙带发育高度的研究,对指导矿井安全生产,防治矿井水害有着重要的现实意义。

色连二矿多煤层开采对导水裂隙带高度影响的数值模拟探讨

导水裂隙带高度确定对煤矿水害防治及煤炭高效开采具有深远意义。为研究多煤层开采导水裂隙带发育规律,以色连二矿5号煤层为研究对象,采用理论分析和UDEC软件数值模拟的方法,研究色连二矿的3,4,5号煤层依次开挖对覆岩层导水裂隙带发育高度的影响情况。结果表明,运用数值模拟的手段预测的3、4和5煤层导水裂缝带高度分别为38 m、50 m和70 m,其中开采4-1上煤对3-1煤导高有一定影响,开采5-1上煤促进4-1上煤导高进一步增大,且影响程度较大,对3-1煤导高具有较小的促进作用。该成果为色连二矿5煤层安全高效开采提供了理论技术支持。

多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨

多煤层开采过程中上覆采空区有害气体易下泄至下伏采动空间,导致下伏开采工作面有害气体超限。以大同矿区双系煤层群开采侏罗系采空区有害气体向石炭系工作空间下泄为工程背景,应用关键层理论、流体力学等理论,提出了侏罗系采空区有害气体下泄的条件,对双系采空区连通特征进行了分类并给出其判别标准,创建了侏罗系采空区有害气体向石炭系工作面下泄的多参量控制方程。结果表明:大同矿区侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系工作空间或采空区下泄的条件是,双系之间存在一定宽度的气体运移通道且双系流场间存在压差;大同矿区双系间采空区连通特征可以分为双系采空区流场不连通、双系采空区流场连通但不致灾、双系采空区流场连通且可致灾3类,同忻矿8207工作面与上覆侏罗系采空区的连通特征属于第Ⅲ类;针对同忻煤矿8207工作面开采条件,应用建立的有害气体下泄多参量控制方程,确定工作面主关键层破断2 h后,9403~10112 m3的有害气体从侏罗系采空区下泄到8207工作面及其采空区,从而导致8207工作面采场中有害气体2 h内增加30%~33%,易导致工作面有害气体超限。研究成果为多煤层开采上覆采空区有害气体向下伏采动空间下泄的条件、机理、下泄量计算等研究提供了全新的思路。

沟谷区多煤层开采覆岩破坏及径流水害防治研究

沟谷地形下多煤层开采带来了严重且复杂的“裂隙发育—山体滑坡—河道堵塞—涌水加剧”链式灾害。探究沟谷地形与煤层重复采动耦合作用下的覆岩破坏特征与规律是滑坡、涌水灾害防治的关键。以西曲矿沟谷地形下多煤层开采为研究对象,综合采用集地表勘察、InSAR动态观测、降雨-径流分析和数值模拟为一体的“覆岩移动−地表变形−径流积水”分析方法,分析了沟谷区多煤层下行开采引发覆岩破坏与地表沉降的空间扩展全过程。结果表明:沟谷区下组煤充分采动后,煤层间关键层以下岩层移动范围无明显外扩特征,竖向裂隙发育,以张拉开裂为主。关键层上方岩层剪切裂隙占比明显增加,采动沉降效应与重力作用下的沟谷坡体易产生剪切滑移,甚至发生坡体下行裂隙与覆岩上行裂隙的贯通现象。重复采动造成山体滑坡形成的堆积体若阻塞河道并在汛期形成堰塞湖,则具有井下涌水风险。基于无人机倾斜摄影测量合成的高精度地形,通过降雨−径流模拟再现了山西“百年一遇”暴雨期间矾石沟流域不同历时降雨淹没范围与时间百分比,为矾石沟小流域的沟谷水灾害防范和风险评估提供了支撑,并提出了基于裂隙发育与地表淹没范围的地表径流水害综合防治方法。研究可为沟谷区多煤层开采条件下地表地质灾害防治与水资源保护提供有益参考。

多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性研究与控制

为了解决多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性问题,以东荣一矿为工程背景,分析18层煤回采对20煤层巷道掘进的影响。对20煤层地应力环境、顶板强度及结构进行测试,建立数值模型进行分析并得出围岩控制方案,并结合现场矿压监测数据进行方案验证。研究结果表明:上层煤回采工作面与下层煤掘进工作面的水平错距是影响多煤层开采中下层煤巷道围岩稳定性的关键因素;数值模拟结果表明,当水平错距为40 m时,20煤层掘进工作面已进入增压区,应力集中系数达到2.5,现场矿压监测显示,当回采工作面距离测站40 m,锚杆锚索受力开始明显增加;通过实施高预应力强力锚杆锚索组合支护方案,20煤层右三片下料道未发生锚杆锚索破断现象,顶板最大下沉量为182 mm,两帮最大变形量为120 mm,巷道变形量大幅度减小,围岩稳定性得到较大提高。

神东矿区多煤层开采覆岩破坏及导水裂隙带高度特征研究

掌握煤层开采覆岩破坏规律及导水裂隙带演化特征,是对其进行源头减损设计及采后分区差异化地表生态修复的前提。以神东石圪台矿典型工作面为工程背景,采用自主研发的模拟试验平台开展多煤层开采覆岩破坏及其自修复特征研究,并揭示了导水裂隙带高度与工作面宽深比、深厚比的关系,得到了导水裂隙带高度的预测公式。研究结果表明:上层2-2煤开采时,覆岩破坏特征与单一煤层开采时相似;下层3-1煤开采时,由于煤层相对较厚,两煤层间的岩层破坏严重,裂隙发育,且引起2-2煤覆岩发生二次扰动破坏,裂隙进一步发育;两煤层间以及采区边界的岩层裂隙自修复程度较低,自修复难度较大。导水裂隙带高度随宽深比的增大总体呈降低趋势,随深厚比的增大总体呈上升趋势,并与实测数据进行对比验证。

浅埋深多煤层开采地表移动规律实测与分析

基于内蒙古双欣矿业有限公司实测资料,利用开采沉陷理论、数值模拟等方法,研究了浅埋深、多煤层开采地表移动规律和移动参数。对初次采动、重复采动等不同条件下的地表移动观测数据进行了总结和分析。结果表明,浅埋深多煤层开采条件下,地表移动的初始期和活跃期均较短,其中地表移动初始期约0.5个月,活跃期一般为3~6个月;受老采空区的活化作用影响,下层煤开采地表下沉系数、主要影响角正切明显增大,双欣矿业浅埋深多煤层开采老采空区活化系数可取为0.045~0.13;上覆岩层的破坏主要为剪切破坏和拉张破坏,地表易出现地裂缝等不连续变形,并在地表形成波浪状下沉盆地。

基于FLAC3D多煤层开采下大巷底鼓控制技术研究

随着煤炭资源需求量的不断增加,单一煤层资源急剧减少,多煤层开采越来越普遍。较单一煤层不同,多煤层开采导致的巷道围岩变形更严重、规律更复杂。为研究多煤层开采下大巷围岩的变形规律及控制技术,以山西省沙曲一号矿为工程背景,运用FLAC3D软件从围岩结构及岩石力学性质的角度分析了多煤层开采下大巷底鼓量变形规律,根据其变形规律设计支护方案,并对3种支护方案进行了优选,得出最优的底板支护方案,大巷两侧底角开槽泄压,现场监测效果证实了该设计方案的可行性。

色连矿区多煤层煤质的密度和泥化特性差异分析

为了探究同一矿区不同煤层密度和泥化特性差异,开展色连矿区12309、12310和12409煤层的煤矸石浮沉、泥化试验,并用X-射线衍射仪对不同密度级原煤泥化产物的矿物组成进行分析。结果表明:在实际分选密度为<1.3 g/cm^(3)时,3个煤层可选性均为极难选,在实际分选密度>1.5 g/cm^(3)时,3个煤层可选性均为易选;3个煤层原煤泥化比均>30.0%,均属高泥化程度煤;在泥化翻转试验中,翻转时间为30 min时,12310煤层细泥产率高达10.72%,泥化最为严重,12309煤层仅有4.15%,12409煤层介于两者之间,为4.83%;泥化试验所产生的高灰细泥量和灰分均较大,说明煤和矸石均易泥化,且矸石泥化更严重,泥化的主要矿物成分是石英和高岭石,因此建议采用干法选煤工艺,减少末煤湿法入洗量。

多煤层开采综采工作面顶板疏放水优化设计与应用

通过对多煤层开采上部岩层富水性造成的水害安全影响进行系统性评估,分析了安顺煤矿8301工作面在回采期间可能存在顶板突水、溃水导致淹面的风险,进而提出采取施工小断面泄水巷、打设顶底板疏放水钻孔、探放老空水钻孔、切顶钻孔爆破裂隙、施工大容积水仓等综合措施,提高了8301工作面的抗灾减灾能力,确保了采煤工作面的顺利安全回采。

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水关键技术方法

老空区积水作为诱发煤矿水害事故的主要突水水源,严重制约着井下煤矿资源的开采。为解决传统探放水方法面临的精度低、探放水钻孔距离短等难题,设计了一种长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法,为实现煤矿井下采空区积水探放与上覆含水层的预防治理工程提供了新的技术手段,设计了长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水系统与装备构成,确定了长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术关键参数与工艺流程,并以榆树岭煤矿东翼下5煤层老空水防治为工程背景,设计并应用了长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水方案,工程实践表明:经过探水与疏放水两个阶段,累计疏放老空水约3.535×10^(5)m^(3),老空区静态积水疏放结束,仍存在约26 m^(3)/h的动态补给水,为老空区积水的疏放和长期治理提供了有效途径,为后期工作面的采掘布置提供安全保障,为类似条件下煤矿探放水工程设计提供依据与参考。

多煤层开采破断顶板群结构发育扩展规律研究

针对高家梁煤矿多煤层开采时下煤层工作面矿压显现剧烈、易出现压架等问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对多煤层开采顶板破断演化规律及强矿压形成机理展开研究,以修正的Hoek-Brown准则作为采动岩体强度准则,模拟多煤层开采覆岩破断扩展演化过程。研究结果表明:由于回采煤层数量增多致使覆岩弯曲下沉带岩层逐渐演变为断裂带,最终导致破断顶板向上发育扩展,形成破断顶板群结构,破断顶板群结构高度分别为23、49、78、112 m;煤层采高和层间距对顶板群破断结构高度的影响明显,但层间距超过35 m时覆岩破断高度保持稳定;当开采多煤层时,破断顶板群结构压力传递至下煤层,使下煤层工作面部分区域出现强矿压显现现象。研究结果揭示了坚硬岩层条件下多煤层开采破断顶板群结构扩展规律及下煤层强矿压形成原理,对工作面布置和强矿压防治具有一定的指导意义。