河流下综放工作面覆岩破坏特征和陷落柱防水煤柱留设研究

目的长平矿Ⅲ2317工作面在开切巷处揭露陷落柱,地表丹河流向与工作面推进方向一致,受采动影响,陷落柱内部水体及河水可能通过开采裂隙导入回采空间,从而造成工作面突水。针对以上问题,方法本文采用理论分析、数值模拟和现场观测等方法,对回采工作面覆岩“两带”高度、覆岩破坏特征和陷落柱煤柱留设宽度进行研究。结果结果表明:工作面顶板垮落带与导水裂隙带最大发育高度分别为18.38,93.85 m,河水对工作面不构成突水威胁;无煤柱开采时,陷落柱一侧顶板裂隙沿陷落柱胶结面向上高度发育;结合理论计算和数值模拟分析,确定煤柱宽度为35 m。工作面在留设35 m煤柱条件下安全完成回采,地表变形特征符合预期,最大下沉量达到4000 mm,回采过程中工作面未发生突水事故。结论研究结果可为类似条件下的煤层安全开采提供理论和经验支撑。

断层影响下煤层开采突水风险流固耦合数值模拟研究

断层引起的底板采动突水是煤矿防治水中的重要问题,研究因采动引起断层活化,以及对底板渗透性变化全程进行演化是解决此类问题的关键。在前人成果的基础上总结了采动过程中围岩渗透性变化规律及渗透系数-体积应变耦合方程,将其嵌入FLAC3D流固耦合模型中。并以济宁二矿103下03工作面八里铺断层为背景,模拟不同煤柱尺寸情况下底板断层突水演化规律。结果表明:八里铺断层对于103下03工作面安全开采具有重要影响。防水煤柱尺寸为90 m时,奥灰水会沿导水通道进入采空区,引发突水事故;当其为100 m时,采动过程是安全的,且有效隔水层厚度约5 m。最终确定济宁二矿103下03工作面八里铺断层防水煤柱留设宽度取100 m。

防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用

针对煤矿井下紧邻断层的防隔水煤柱稳定性保护问题,以鹤壁中泰矿业3309工作面防隔水煤柱为工程背景,对防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用进行研究。通过对切顶卸压前后防隔水煤柱支撑压力分布进行对比分析,揭示了切顶卸压定向爆破作用机理,采空区顶板垮断时大悬臂结构被切断进而迅速垮落,防隔水煤柱上方侧向支撑压力缓慢上升然后延伸至深处缓慢下降到原岩应力。利用FLAC3D和ANSYS/LS-DYNA软件建立不同不耦合系数定向聚能爆破模型,数值模拟结果显示,切顶卸压后应力峰值降低了约27.8%,且峰值位置与3309工作面煤柱帮的距离明显增大,改善了3309工作面回风巷道附近区域应力环境;综合考虑切缝效果和炸药利用率,确定了不耦合系数1.7为正常段最优装药结构;根据数值分析结果和断层分布情况对3309工作面回风巷道进行系统性差异化爆破参数设计,现场应用表明切顶卸压定向爆破效果良好,对防隔水煤柱的保护起到了有效的作用。

浸水煤样强度劣化机理与防隔水煤柱留设公式优化方法探讨

防隔水煤柱的留设是防治老空水害问题的有效措施之一,为考虑煤柱长期浸水失稳对防隔水煤柱安全留设尺寸的影响,进一步提高防隔水煤柱的安全性,以华北型煤田为研究背景,基于模拟浸泡试验实测数据,分析了煤柱浸水时的强度破坏规律,探究了强度破坏的内在原因及影响因素。结果表明:不同浸泡环境下的煤柱抗压强度均随浸泡时间的延长而降低,并最终趋于稳定;抗拉强度与浸泡时间的关系在不同浸泡条件下呈现不同的变化规律,去离子水溶液浸泡条件下仍呈降低且趋于稳定的变化趋势,在高矿化度矿井水环境下则存在临界值,并在突破临界值后再次呈现降低趋势;影响煤柱稳定性的因素包括煤岩体性质、浸泡时间、浸泡溶液水化学特征等,其中浸泡时间为主要影响因素之一。结合实测数据及上述分析,从更加安全的角度引入了煤柱软化系数以限制经验公式中的抗拉强度,将防隔水煤柱留设公式修正为:L=0.5KM√3P/R_(t)K_(p)。

防水煤柱在断层影响下的合理化留设研究

以长春兴煤矿22601工作面、五家沟煤矿5214工作面采空积水区及WF_(19)大断层为研究对象,结合研究区地质、水文地质资料,对相邻工作面间防水煤柱留设尺寸的安全进行了研究。首先分析22601工作面与WF_(19)正断层、5214工作面采空区之间的联系,研究断层的充水水源及导水通道。通过理论计算和数值模拟方法对断层保护煤柱留设宽度进行计算,对比2种方法理论计算结果,并结合实际情况,初步确定工作面保护煤柱留设宽度。基于矿井安全开采的原则,结合工作面实际保护煤柱宽度、工作面初采及初次来压、断层富水区域等因素对22601工作面断层保护煤柱宽度进行安全评价,并针对断层水害防治提出建议。

高承压水条件下近断层开采突水模式及煤柱设置

防止断层水破坏最有效的方法是设置防水煤柱。以往煤柱宽度的计算主要采用经验公式,计算结果与实际相差较大。综合考虑矿压和承压水压力建立了“双压”控制下近断层煤层顶底板突水的水力模型,在考虑断层性质、矿压和承压水压力的基础上,提出了1种计算大型正断层采煤防水煤柱宽度的新方法。将研究成果应用于红旗煤矿五指岭支断层防水煤柱宽度计算,并利用FLAC3D软件进行数值模拟,对开采影响下煤柱宽度的计算进行校核。

同层位老空积水区防隔水煤(岩)柱的计算方法

煤矿井下采掘作业生产期间,为了避免老空水在高水压作用下破坏原始煤(岩)层(探水线)稳定性而发生井下透水事故,本文通过对采掘破坏影响以及老空透水机理进行分析,提出了“同一煤层,老空区导水裂缝带范围与开采煤层导水裂缝带范围不连通为基础,并保证足够的挡水岩柱”的防治措施,充分考虑老空积水区水头值高低、煤(岩)层厚度、强度、岩层移动规律、采煤后形成的导水裂缝带等相关因素,确定了合理的计算方法,从而对老空区防隔水煤(岩)柱尺寸进行计算。该方法思路正确,可达到安全警示与矿井保安的目的。

石泉煤业特厚煤层巷道掘进层位确定及煤柱合理留设宽度研究

针对特厚煤层巷道掘进层位确定及煤柱合理留设宽度的技术难题,从顶板维护、煤体损失等角度对比分析了巷道沿顶掘进、沿底掘进两种方案,采用数值模拟的角度研究了5~10 m这6种煤柱尺寸下的煤柱应力及煤柱塑性区分布特征,最后结合防隔水煤柱留设尺寸确定临近采空区疏放水位。研究结果表明,尽管巷道沿底掘进煤炭损失量偏小,但是从巷道维护等角度出发,选择巷道沿顶掘进;对比分析煤柱宽度5~7 m的煤柱整体承载能力弱,煤柱宽度9~10 m时,煤柱内部应力集中范围和集中程度明显偏大,不利于煤柱的稳定性,综合确定巷道煤柱宽度为8 m,临近采空区探测到的水位不得高于8.73 m。

郭屯煤矿3303工作面断层防水煤柱留设研究

针对郭屯煤矿采动影响造成断层活化导通新近系含水层的问题,以3303工作面为研究背景,通过导水断层留煤柱理论计算得出煤柱留设宽度为47.66 m,在此基础上使用FLAC3D模拟软件进行了数值模拟,深入研究了留设40 m、50 m、60 m煤柱情况下防水煤柱应力及塑性变化,分析了向阳断层防水煤柱受采动影响的破坏机理,得出了断层下盘在采动影响下的应力及塑性变化规律。根据现场实际情况,采取了留设50 m防水煤柱,使用导高观测仪实测工作面“两带”高度,断裂带最大高度发育至距离3煤层65.49 m处,小于工作面最薄基岩处,断层也未发生旋转下沉等大规模破坏现象。工作面回采完毕后,涌水量也未发生较大变化。实践证明,向阳断层防水煤柱留设的合理性,对同类型工作面具有一定的参考价值。

巨厚松散层下防水煤柱合理留设及其数值模拟

防水煤柱合理留设是巨厚松散层下煤炭开采设计的基本参数。通过对东欢坨矿第四系巨厚松散层地质特征分析,揭示了本区第四系巨厚松散层中的含、隔水层厚度及其结构分布特征和对煤炭开采充水的影响,建立了巨厚松散含水层下防水安全煤柱计算模型和理论,提出了在巨厚松散层下的防水煤柱留设的非线性计算方法,计算东欢坨矿8煤层防水煤岩柱的高度为65.62 m。根据流-固耦合理论,应用FLAC3D数值模拟计算软件,模拟了东欢坨矿8煤层开采过程中上覆岩层变形破坏规律,揭示了煤层顶板岩体冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带的分布规律,获得了防水煤柱高度及相关工程技术参数,验证了巨厚松散层下防水煤柱留设的非线性设计方法和计算模型的可靠性,为巨厚松散层下防水煤柱合理留设探索了可行途径。

潘谢矿区缩小防水煤柱开采实践

通过总结潘谢矿区 10a来缩小防水煤柱工作面成功的开采实践 ,系统地阐述了潘谢矿区水文地质特征、覆岩破坏规律。

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明:采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。

不同断层倾角条件下防水煤柱合理宽度的研究

为了研究不同断层倾角条件下的防水煤柱合理宽度,本文运用摩尔库伦准则求取了突水类型的断层倾角临界值.在综合考虑了煤柱本身受矿压及水压作用后的稳定程度;以及考虑煤柱一侧开采后形成的底板导水裂隙带位置与断层以及含水层的关系的情况下,运用弹塑性极限平衡理论、流体力学、土力学理论求得了断层倾角较大和较小时的防水煤柱宽度的计算公式.在推导出的理论公式基础上,利用MATLAB工具箱编程计算出托山煤矿防水煤柱宽度应为16 m.相对于以前设计的防水煤柱宽度来说,可减少4 m宽,既保证了煤矿的安全生产,又提高了采煤回收率,对节约能源起到了重要作用.

断裂带岩体工程地质力学特征及其对断层防水煤柱留设的影响

对F3,F4断层带水文地质、工程地质特征进行了系统测试研究,并结合钻探、物探资料,对F3,F4断层进行了导水和含水性分析,得出了F3,F4断层为不导水、不含水断层.分别利用相似材料模拟和数值模拟技术对F3,F4断层间块段不同水平留设断层防水煤柱开采进行了模拟,得出了不同地质条件下煤层顶、底板的采动效应;根据F3,F4断层带水文地质、工程地质特征及模拟结果,对F3,F4断层防水煤柱进行了重新留设,减小煤柱压煤量23万t.

UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性

通过UDEC（Umversal Discrete Element Code）对厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩破坏特征的数值模拟以及物理模拟对计算结果的验证，得到了工作面走向中部覆岩冒落带高度随放采比的增大而增大、裂隙带高度随放采比的增大而发展缓慢的结论。覆岩沿高度方向形成“三带”，但不同于其它条件下的放顶煤开采，采空区走向中部覆岩裂隙带高度与冒落带高度基本一致，顶板岩层呈现整体弯曲下沉。当放采比为2：1与2．5：1时，顶板岩层呈现整体弯曲缓慢下沉，裂隙带最大发育高度为20—22m。通过对覆岩破坏规律以及采区水文地质特征的分析，覆岩突水可能性很小。

断层上盘防水煤柱合理宽度研究

当前采用的断层防水煤柱设计方法,是将断层上盘防水煤柱沿宽度方向看作是均匀连续和各向同性的弹性体,没有考虑到矿山压力、构造应力和水压力对煤柱的破坏和影响作用,导致煤柱留设宽度缺乏科学性,增加了工作面突水威胁。为了合理设计断层煤柱宽度,本文分析了煤柱在不同作用力下的物性状态,在此基础上将煤柱从隔水功能上划分为矿压影响区、有效隔水区和断层影响区,并分别推导和确定这3个区域的宽度计算公式,修正了断层防水煤柱设计方法,为上盘断层防水煤柱设计提供了科学的参考依据。

断层影响下底板突水通道研究

基于岩体极限平衡理论,综合考虑断层本身性质和矿山压力中应力降低区的作用,解得底板隔水层的极限水压解析式,推导出底板突水力学判据,结合华泰煤矿7502工作面,解得底板隔水层的极限水压大于实际承压水水压,底板隔水层中没有形成突水通道;基于FLAC3D流固耦合理论,建立了断层影响下煤层开采的数值模型,得出断层带中的承压水导升高度(8m)较正常岩层(6m)高,断层影响下底板岩体应力呈非对称分布,断层附近的底板采动破坏深度(24m)大于未受断层影响的底板破坏深度(20m),底板破坏区与断层导通,承压水通过断层进入破坏区,形成突水通道,发生底板突水。结果表明:断层影响下的底板突水,往往不是底板隔水层破坏导致,而是承压水通过断层进入采动破坏区所致。

断层防水煤(岩)柱安全宽度的计算与评价

针对如何确定导水断层附近的防水煤(岩)柱宽度是困扰煤炭开采的问题,以开滦集团荆各庄矿3092工作面为例,综合运用经验公式、数值模拟和原位探测来确定其断层防水煤(岩)柱的安全宽度,最终得出了符合实际的且小于原留设宽度的断层防水煤(岩)柱安全宽度,为该矿节约了可采储量,延长了矿井服务年限,具有显著的社会和经济效益;同时该法为本矿及相似矿井以后处理类似问题提供了参考,具有较高理论和现实意义。

组合硬岩层顶板破断规律及导水裂隙带电法探测

为分析组合厚硬岩层顶板导水裂隙带发育高度,合理设计区段防水煤柱尺寸参数,文章利用并行电法测试技术探测了两关键层临近赋存顶板破坏特征及其破断规律,结果表明:两关键硬岩层呈现非同步破断特征,当下部关键层出现一个以上破断周期后,引起上部关键层破断;1622(3)工作面组合厚硬岩层顶板导水裂隙带发育高度50 m,为平均采高的12.8倍。研究结果为同类地质条件下采场围岩控制及防水煤柱尺寸设计提供指导依据。

熵权属性测度理论在导水裂隙带高度预测中的应用

确定导水裂隙带高度是水下开采防水煤岩柱尺寸设计的关键。结合导水裂隙带形成机理和分布形态,选取采场采深、采厚、煤层倾角、覆岩单轴抗压强度和工作面斜长五个主要影响因素作为导水裂隙带高度的判别指标。利用24组样本数据,构建导水裂隙带高度的熵权属性测度预测模型。为检验模型的有效性,将其用于预测丁集煤矿1262(1)工作面导水裂隙带高度,结果为66.03m,与采用Midas/GTS-Flac3D耦合模拟得出64.63m的结论非常接近。研究结果表明,熵权属性测度模型预测的相对误差较小,可以在工程实际中推广应用。