深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段,前2个阶段覆岩稳定,第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构;覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿14030工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明:深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预测,同时采用无人船搭载定位和声纳系统对赵固二矿地表沉陷盆地形态进行了实测和重构,预测结果和实测数据对比分析表明理论沉陷值的最大误差率为7.0%,平均误差率为2.4%,表明构建的地表沉陷分区预测模型适用于深埋厚冲积层薄基岩赋存条件,可为该类煤层开采地表沉陷治理提供借鉴。

垮落带破碎煤岩样循环加卸载渗流特征实验研究

在煤层群开采过程中,前期开采煤层形成的采空区垮落带将会受到后期开采煤层的重复扰动,垮落带内的破碎煤岩体将会进一步破碎,进而影响瓦斯在采空区中的运移情况。本文简要总结了国内外针对采空区垮落带内应力、孔隙率、渗透率等参数随着工作面推进的变化关系的研究成果,给出了采空区压实过程中应力及渗透率的预测方法,并在此基础上进行了不同煤岩比例的破碎煤岩样重复加卸载的渗流实验。实验结果表明:颗粒的再次破碎及结构调整,是破碎煤岩样孔隙空间大幅度减小、渗透率损失的主要原因;破碎样(煤岩样)的强度决定渗透率的应力敏感性,组合煤岩样中煤的比例越大,渗透率的应力敏感性越高,渗透率越小;随着加卸载次数的增加,应力敏感性逐渐减弱。最后,根据实验结果给出了不同加卸载阶段破碎煤岩样的应力-渗透率计算模型。

基于矿井地下水库的煤矿采空区地下空间利用模式与关键技术

利用煤矿采空区建设矿井地下水库对实现矿井采空区地下空间及矿井水资源化、能源化利用,促进矿区环境生态保护意义重大。综合国内外典型案例,论述了基于矿井地下水库的矿井地下空间及水资源的3种利用模式:矿井地下储滤水库、抽水蓄能电站及矿井地热开发利用。与国外传统地下水库以井巷为主要存储空间相比,目前国内构建的地下水库主要以矿井采空区垮落带为存储空间,这使得矿井地下水库的容量大幅度提升,且垮落带内的煤矸石对矿井水还具有过滤作用。在此基础上,凝练了中国煤矿地下水库2个关键科学问题:矿井地下水库库容能力和矿井地下水库稳定性控制。探讨了库容能力和坝体稳定性控制的影响因素和现阶段主要研究手段,提出了在产矿井和资源枯竭型矿井建设地下水库的后续研究方向。