特厚煤层采空区危险区域判定及煤自燃防控技术研究

为研究特厚煤层采空区危险区域判定及煤自燃防控技术,以金鸡滩煤矿117大采高综放工作面主采2-2煤层为工程背景,对已揭露2-2及2-2上煤层鉴定为易燃煤层,易发生氧化作用而产生自燃且回采期间联行密闭漏风,为精准确定117工作面采空区的危险区域和采空区的浮煤自燃情况,论文采用理论分析,现场监测分析的研究方法对煤层采空区危险带进行划分,通过采空区预埋管路进行测温,分析气体的成分,得到采空区及联络巷的漏风规律,判定进风巷采空区60~145 m、回风巷采空区45~125 m这两个区域是煤自燃防治的重点区域,提出了胶体压注系统、注氮防灭火系统等相结合的集“阻化、惰化、降温”为一体的综合防灭火技术,研发适合采空区隔离墙及联络巷的密闭快速堵漏风技术及工艺,实现采空区的漏风控制和煤自燃防治成功应用,为我国类似矿井危险区判定和防(灭)火工作提供了技术参考依据。

高应力区小煤柱顺槽巷道破碎围岩支护技术

新上海一号煤矿155辅运顺槽小煤柱掘进邻近采空区硐室区时,受集中应力影响,导致位于采空区侧巷帮垮落严重、顶板下沉断裂,巷道成型效果差,巷道掘进速度慢等;通过分析小煤柱区巷道围岩破碎成因,拟定采用“柔模袋填充注浆+柔模浇筑+注浆加固+双梁钢棚”联合支护技术;联合支护方案应用后,巷道顶板下沉量由原来的0.39 m减小至0.11 m,两帮收敛量由原来的0.41 m减小至0.21 m,底鼓量由原来的0.49 m减小至0.27 m,应用成效显著。

采空影响区高层建筑抗变形设计方法及应用案例

在煤炭资源型城市转型期,对土地资源的需求日益紧张,煤炭采空区不再只是进行城市绿化,而是越来越细分,在可利用的场地上进行工程建设。重点研究煤炭资源型城市采空影响区域内,基于数值沉降抗变形分析,高层建筑在保证安全的前提下,采用更加经济合理的地基基础方案及抗变形措施,这一设计方法的实施可以解决很多采空影响区内建筑活动因为过高抗变形措施费而停滞的项目,缓解了煤炭资源型城市发展用地需求。基于目前国内外采空影响区域内砌体结构及高层建筑抗变形设计分析方法,提出采用岩土有限元软件精细化模拟正常施工沉降变形及残余变形影响下的沉降变形;基于典型项目案例计算分析,提出抗变形设计的量化分析结果。分析方法及量化结果为后续煤炭资源型城市高层建筑的抗变形设计提供了可借鉴的经验。

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。

多种勘察方法在复杂山区煤矿采空区岩土工程勘察中的应用

为了在复杂山区煤矿采空区岩土工程勘察中得到更好的勘察效果,采用测氡法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、微动探测4种勘察方法共同对研究区域开展勘察。测氡法根据采空区周围应力变化获得勘察结果;高密度电阻率法专门针对地形较为复杂的环境开展勘察工作;瞬变电磁法能够勘察出研究区域中不同深度位置的地电特征,获得工程勘察结果;微动探测勘察方法能够获得工程结构勘察结果。勘察结果表明,氡气值较高、高密度电阻率和瞬变电磁电阻值较高的区域均为复杂山区煤矿采空区,使用微动探测勘察方法的误差较小,能够获得准确的勘察结果,勘察效果总体较好,能够勘察出煤矿采空区。

浅埋深易自燃煤层沿空留巷采空区自燃三带分布特征

为厘清浅埋深、易自燃煤层沿空留巷采空区自燃“三带”分布特征,通过预埋高压胶管、高强度钢管防护测温光纤和监测束管的方式,动态监测沿空留巷采空区氧气和温度变化特征,借助数值模拟软件,判定采空区自燃“三带”分布范围。结果表明:31116沿空留巷采空区架间测点氧气浓度随工作面推进整体呈下降趋势,回风巷测点氧气浓度受隅角漏风干扰出现局部反升趋势,基于光纤测温数据,温度变化不能作为锦界煤矿沿空留巷采空区自燃“三带”划分的依据,受风流运移和局部漏风影响,31116采空区氧气浓度回风侧略高于进风侧,最终得到31116采空区进风侧氧化带范围为140.4~313.3 m,中部201.2~351.6 m,回风侧153.2~328.1 m,依据采空区遗煤量、地质特点等因素,综合判定工作面正常生产条件下最小推进速度为3.3 m/d。

基于AHP-集对分析法的河南煤炭采空区地下水资源利用评价

为了解决煤炭矿区水资源短缺的问题,从河南省六大煤炭矿区(鹤壁、焦作、永城、平顶山、义马、郑州)选取18个典型煤炭采空区,收集水文地质资料,采用AHP-集对分析法,构建以河南省典型煤炭采空区地下水资源利用作为目标层,以水量、水质、矿区水资源利用现状作为准则层,以矿井涌水量、平均煤厚、采空区面积、最大开采埋深、煤层顶板岩性、地质构造复杂程度、总硬度、溶解性总固体含量、pH值、氯离子含量、矿井水利用率、激励政策12个评价指标作为指标层的评价指标体系,对河南省典型煤炭采空区地下水资源利用进行评价,同时采用层次分析法对AHP-集对分析法评价结果进行对比验证。结果表明:两种方法的评价结果基本一致,河南省六大煤炭矿区典型采空区地下水资源利用可行性以焦作矿区最优、永城矿区最差,其余4个矿区居中且评价结果相近,说明采用AHP-集对分析法构建的河南省典型煤炭采空区地下水资源利用评价指标体系及评价结果是比较可靠的。

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明:连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0~20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。

煤矿采空塌陷区稳定性评价及地质灾害风险评估研究

为进一步探究煤矿采空塌陷区的更多细节特征,从而为治理工作奠定基础,以张双楼大型煤矿采空塌陷区为研究对象,基于层次分析法构建矿山地质环境的因子指标体系,结果显示沉陷区的地表沉陷影响最大的2个因素为开采厚度和顶板岩性,影响相对较小的因素为开采煤层和终采时间,高危险区主要分布在采煤活动频繁的矿区,而中等危险区则位于高风险区域的外围,在地质构造不稳定的区域也可能出现中等危险区,根据评价结果,提出应用“挖深垫浅”的工程模式,并综合应用多种措施,对矿区土地做到更好复垦效果。

高河矿E1302膏体充填开采工作面温度变化分析

为确保膏体充填工作面的安全高效回采,以高河矿E1302工作面为研究对象,结合试验、模拟分析及现场实测等技术手段,对采面生产期间采空区的温度变化情况以及下部煤层自然发火情况等进行了分析。结果表明,E1302工作面在膏体凝固期间会释放热量,从而导致了采空区下部煤层及采面内温度增长,而温度增长会增加下部煤层自然发火的危险性,但是膏体充填采空区的遗煤缺乏持续自燃氧化条件,从而降低了采空区自然发火的危险性。E1302工作面膏体充填开采期间,采面内及回风口位置CO体积分数均在安全范围内,表明现场采用的膏体充填材料可满足采面采空区自然发火防治需求。

高密度电法在煤矿采空区探测中的应用研究

为进一步掌握煤矿采空区的分布规律,本文以徐州经济技术开发区某采空区为例,在基础地质资料分析的基础上,采用高密度电法布设5条测线对采空区进行探测。根据解译结果,研究区内未完全塌陷的斜井区域长度35~70 m,埋深14~17 m,在治理设计前应采用钻探方法予以验证。研究结果可为相似地质条件下的采空区治理提供前期参考。

采空区遗煤自燃“三带”及有害气体分布数值模拟

为探究采空区遗煤自燃“三带”分布及采空区内有害气体分布情况,利用“Fluent+UDF”对陕西韩家湾煤矿213109工作面采空区“三带”分布、流场特性开展数值模拟研究。采空区被认为是多孔介质,多孔介质孔隙度、多孔介质区域黏滞阻力和惯性阻力、遗煤氧化耗氧量、有害气体涌出量等参数通过用户自定义方程计算。研究结果表明:工作面及采空区遗煤可划分为散热带、氧化带、窒息带;以氧浓度0.07≤C≤0.18为氧化带指标时,从进风巷侧到回风巷侧,氧化带宽度由23 m扩大到40 m,最终在回风巷侧缩减至13 m,回风巷侧氧化带范围小于进风巷,窒息带区域最大。随着高度的增加,氧化带区域整体向进风巷入口方向移动,覆盖区域先增大后减小。

EH4大地电磁法在中深煤层采空区探测中的应用

为了查明鄂尔多斯棋盘井某矿916、917工作面附近区域采空区及积水分布情况,采用EH4大地电磁法对该区域进行了探测。通过了解该区域地形地质资料,分析电性响应特征,进行干扰试验和参数试验研究,然后进行现场施工布置,开展内业资料处理与分析,进行剖面和平面成果解释。结果表明,试验电极和磁棒一致性较好,确定采用电极距40 m、采集次数8次,增益大小根据测点实际信号确定;经过干扰信号的剔除、静态校正和合理解释,圈出1处弱高阻异常(不含水)和1处弱低阻异常(弱含水),分析均为断层破碎带,未发现明显的采空区及积水异常区,基本达到了预期探查目的。

煤矿采空区地表沉陷可视化仿真

为实现煤矿采空区地表沉陷可视化,结合MATLAB仿真技术,利用矿区地质煤层条件和岩移观测参数及地表沉陷有关数据,建立采空区地表沉陷以动态时间函数结合概率积分法的预计模型,对煤矿开采造成的地面沉陷区进行仿真计算和分析.结果表明:该方法能反映地表移动的动态特征,实现了煤炭开采对地面动态沉陷影响的较为精确的分析与计算,可以直观而精确地对地表变形各种图形自动绘制,为其它矿区制定采煤采空区的预防和治理方案提供一个交互的三维仿真平台及可靠依据.

矿用光纤气体检测中的最小二乘拟合方法研究

由于矿用光纤气体检测系统中线性最小二乘拟合方法只适用于光谱吸收率小于0.1的气体检测,针对光谱吸收率增大时气体吸收谱线与浓度的变化呈现非线性的问题,本文采用阻尼最小二乘拟合算法进行气体浓度的计算。实验结果表明,改进的矿用光纤气体检测系统检测极限由原来的100 ppm提高到了30 ppm量级,简化了标定程序,能够更好地满足煤矿安全生产的需求。

徐州煤矿采空区地下水库建库可行性研究

徐州城市规划区内煤炭资源开采已经形成了约140 km2的采空区,采空区破断垮落岩体间的自由空间及巷道构成地下水储存场所。据初步估算,14个关闭煤矿采空区储水总量可达7 583×104m3,但矿井水资源的有效利用程度相对较低。文章通过对徐州城市规划区内各关闭煤矿采空区储水空间、矿井水水质保障和可调储能力等地下水库建库条件和运行安全的综合分析,探讨了建设采空区地下水库的可行性,遴选出7个煤矿采空区地下水库,评价其可利用等级,结果表明:新河、卧牛山、大黄山等为I级采空区地下水库,韩桥、庞庄、权台和青山泉矿等为II级采空区地下水库,可为徐州城市应急供水提供新水源。

瞬变电磁法在探测煤矿采空区及其积水区的应用

瞬变电磁法是目前工程勘察中应用较广的物探方法之一。该方法观测纯二次场,故分辨率高,可分辨出地下规模较小的不均匀体,尤其对低阻地质体反应灵敏。在山西七岭煤矿边界老窑采空区探测中,基于采空区及其积水区与完整围岩在视电阻率值上的明显物性差异,利用瞬变电磁法在视电阻率值上的相对低阻异常来圈定采空区及其积水区,为准确划分煤矿采空区及其积水区的位置提供依据。

三河煤矿采空区地面塌陷地质灾害调查钻探技术

针对河北三河煤矿采空塌陷区内地层破碎、岩石软硬不均、钻进泥浆漏失严重、钻进效率低、岩心采取难等问题,采取了一系列钻探技术方法,在确保岩心钻探工程质量的前提下提高了钻进效率。为初步查明三河煤矿开采区地面塌陷范围、发育特征、危害程度等,提供了准确、翔实的地质资料;为开发利用煤矿采空塌陷区及下步勘查和城乡规划提供了依据。

采煤沉陷区断链减灾模式分析及应用

采煤沉陷区灾害链按照灾害类型划分通常包括采空区灾害链、煤矸石灾害链和不稳定边坡灾害链,在对其诱发因素、发育阶段、致灾机理和灾害环节进行分析的基础上,提出了适合于采煤沉陷区的断链减灾模式。目前大多数采煤沉陷区灾害链的发育阶段处于潜存阶段或诱发阶段,均已错失孕源断链的时机。在致灾环节上,进行人为断链是目前阶段采煤沉陷区最佳的断链模式。将提出的断链减灾模式应用于山西榆次北山煤矿采煤沉陷区的治理方案中,该综合治理方案能及时有效地切断灾害链的发展,以最少的资金投入来消除区内地质灾害的威胁,恢复原有的生态环境。

相关分析法在矿井涌水量预测中的应用

针对水文地质参数影响矿井水量预测可靠性的问题,提出利用多年矿井涌水量预测的相关因素分析法进行预测,以同煤大唐塔山煤矿为例,建立塔山煤矿充水地质模型,利用SPSS软件分析塔山煤矿矿井涌水量与累计煤炭产量、累计掘进进尺和累计采空区面积的相关性,建立矿井涌水量多元回归方程,实现矿井涌水量可靠预测。预测结果表明,塔山煤矿矿井涌水量与累计煤炭产量密切相关,煤矿开采3-5号煤层时的矿井涌水量为4 972 m3/d。该研究为煤矿防治水安全提供了可靠技术支持。