基于数值模拟高强度开采条件下天然气井受力及水平变形特征研究

针对煤-天然气同采区煤层高强度开采引起的覆岩移动变形导致气井失稳问题,基于小保当二号煤矿地质、开采技术条件及现场实测数据,通过数值模拟研究了超长超宽工作面高强度开采条件下,气井套管-水泥环组合体的剪切受力及水平变形特征,分析得到了沿套管轴向易发生变形的位置及岩层分布特征对气井稳定性的影响。结果表明,关键层以上至地表范围内覆岩以拉伸变形为主,关键层及下伏相邻岩层以剪切变形为主。倾向上132204-132206工作面多重采动影响下气井套管最大剪应力为208.5 MPa,为许用剪切强度255 MPa的81.76%,最大水平位移为87.3 mm。沿132205工作面走向留设180 m宽气井保护煤柱,工作面自二次切眼推进250 m后,套管达到最大剪应力169.5 MPa,为许用剪切强度的66.5%,最大水平位移为83.1 mm,留设180 m宽保护煤柱能够保障气井的完整性。研究结果对于合理确定小保当二号煤矿井田内其他气井保护煤柱尺寸、预防井筒失效、实现煤-天然气资源协同开发具有重要价值和意义。

远距离下保护层开采遗留煤柱对被保护层回采的影响研究

为探究远距离下保护层开采遗留煤柱对被保护层回采效果的影响,以平顶山六矿戊_(8)煤层的戊_(8)-22310机巷和戊_(8)-32010风巷之间遗留宽度为4 m的区段煤柱和丁_(5-6)-22190工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测结合的方法,研究了煤柱影响范围、煤柱区域垂直应力分布及影响区相关参数变化规律。结果表明:宽4 m遗留煤柱的影响范围为27.3 m,极限强度为25.9 MPa,塑性区宽度为2.26 m,弹性区宽度为2.68 m;煤柱两侧工作面均回采后,其承载的最大垂直应力87.9 MPa,远超煤柱本身的承载极限;在煤柱影响范围内测得的残余瓦斯含量、压力与卸压保护区无明显差异,并均小于突出危险临界值,煤柱影响区内瓦斯得到较好释放;煤柱影响范围内未产生明显应力集中现象,遗留小煤柱对被保护效果影响较小,保护效果在倾向上有连续性,对被保护层工作面回采影响小。

煤柱失稳条件下浅埋房柱式采空区上覆地层变形特征

在煤柱失稳引起房柱式采空区顶板变形但未塌落的情况下,地表产生较大变形,威胁地面建筑物的安全.采用物理模拟和理论分析研究该条件下房柱式采空区上覆地层变形的发育机制,结果表明,房柱式采空区煤柱失稳后地表最大变形点与初期失稳煤柱位置、采空区顶板裂缝处三者在竖直方向上相对应;在采空区顶板变形但未塌落的情况下覆岩变形可划分为“条带状”、“梯形状”和“漏斗型”变形区域.松散层变形为“漏斗型”发育;采空区顶板发生断裂前可视为均布荷载作用下的固支梁模型.在煤柱失稳条件下,岩梁跨中下表面拉应力区产生竖向裂缝,并垂直向上扩展,煤柱的持续失稳会导致岩梁沿原裂缝薄弱面发生破坏,最终导致岩梁发生拉破断.基岩变形发展至交界面时,松散层逐渐发生滑移-拉裂-剪切破坏,最终形成“漏斗型”破坏形态.

近距离煤层群协同机理对下位煤层巷道围岩应力研究

针对山西西易煤矿近距离4-1煤层、4^(-2)煤层,上位4-1煤层遗留煤柱对底板应力集中问题,讨论下位4^(-2)煤层巷道布置特征。通过塑性理论计算得出遗留煤柱对底板影响深度为25 m,大于上、下煤层夹层厚度,并计算得出遗留煤柱对底板横向影响范围为33.9~39.9 m。基于FLAC3D数值模拟分析下位4^(-2)煤层三种巷道位置布置方案,得出巷道布置在采空区最有利。综合分析遗留煤柱应力影响范围和数值模拟方案,得出下位4^(-2)煤层巷道外错40 m最为合理,且利于相邻工作面巷道布置。同时,提出采用“工字钢棚+锚杆+金属网”联合支护形式,在掘进和回采期间巷道稳定性较好,能保证正常矿井生产。

张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

神东矿区安全高效矿井无煤柱沿空留巷开采技术研究

近年来,神东矿区积极响应行业发展趋势,致力于无煤柱开采技术的研发与推广,相继试验并成功应用了柔模混凝土墙沿空留巷技术、切顶卸压自成巷技术以及沿空预置混凝土墙掘巷技术等多种创新手段。本文介绍了神东矿区沿空留巷研究现状,阐述了神东矿区现有沿空留巷技术特点,并提出了神东矿区在沿空留巷研究与应用中存在的主要问题及措施,最后对神东矿区现有无煤柱开采技术经济效益进行了分析。

近距离煤层内错开采上下双层位煤柱稳定性研究

近距离煤层上下煤柱叠加,双煤柱稳定性关系到煤柱留设的成功,通过理论计算分别推导出内错时上窄下宽双层位煤柱的载荷与煤柱合理宽度计算公式。分析上窄下宽双层位煤柱稳定性影响因素为上下煤柱宽度比、上下煤层开采厚度比、上下煤层采空区宽度比,得出:随着下、上煤柱宽度比的增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递减,下、上煤柱宽度比一定时,下煤柱荷载随着采空区宽度增加而增大;随着采空区宽度的增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递增,采空区宽度一定时,下煤柱荷载随着下、上煤柱厚度比增加而增加;随着下、上煤柱厚度比增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递增,下、上煤柱厚度比一定时,下煤柱荷载随着下、上煤柱宽度比增加而降低。

煤矿不规则残采区沿空巷道煤柱留设及支护研究

为更科学合理地留设不规则残采区沿空巷道煤柱与有效控制巷道围岩,本文基于山西某矿3306工作面工程概况,通过进行数值模拟与进行现场实测,确定出了沿空掘巷煤柱合理宽度;优化了巷道支护方案,采用了高强度高预应力锚网索进行联合支护,应用该联合支护方案后,该巷道的顶底板移近量变小,两帮移近量也大幅变小,符合了矿井安全生产要求,取得了较好的巷道支护效果,有效控制了巷道围岩变形,更好地保障了矿井安全生产。

断层防治水评价及煤柱“三区”转换研究

梁宝寺煤矿3500轨道上山巷掘进过断层,为了安全掘进需要对DF315断层区域进行富水性探查及防治水评价,通过物探、钻探及对巷道顶板、底板三灰、十下灰、奥灰等含水层进行安全评价,将DF315防治水煤柱转换为缓采区。物探、钻探及安全评价的结果:DF315断层周围富水性弱且断层不导(含)水,正常情况不存在断层沟通含水层水害风险;底板三灰、十下灰、奥灰等含水层的实际隔水层厚度都大于安全隔水层厚度,巷道顶板45 m范围内无含水层,则巷道掘进过程中不会受到上述含水层水害威胁。根据“三区”管理规定DF315断层煤柱可由禁采区转换为缓采区,3500轨道上山巷掘进中不受顶板及底板含水层水害威胁,可安全快速地通过DF315断层。

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征，采用理论与现场实测分析相结合的方法，对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析，得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱一覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高，达10．5～13．5MPa，应力集中区深度为40～70m，剪应力波及范围达180131；8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170m；工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。

浅埋煤层大采高区段煤柱合理宽度留设研究

以陕北某浅埋煤矿工作面5-2煤为对象,研究浅埋煤层大采高综采工作面区段煤柱的合理宽度问题。通过弹塑性极限平衡理论方法以及FLAC数值方法进行分析,提出5-2煤合理的区段煤柱留设尺寸为16 m。工程实践表明,巷道的顶、底板变形量最大为36.2 mm,两帮移近量最大为38.2 mm,保证了工作面的安全回采。

赵各庄矿极复杂区域保护煤柱留设数值模拟研究

针对赵各庄急倾斜、大断层和采空区下极复杂区域煤层开采中煤柱留设宽度问题,理论分析了极复杂区域煤柱留设条件:一是作为断层保护煤柱,二是作为9煤老空区保护煤柱。将断层煤柱划分为采空区一侧煤体塑性区、有效隔水煤柱的弹性区和断层处煤体裂隙带三个区域,分别计算煤柱宽度。在理论分析和数值模拟基础上,建立了极复杂区域老空区下急倾斜煤层开采保护煤柱数值模型,模拟分析了工作面无煤柱、煤柱距离32m和64m三种不同情况开采时工作面围岩应力变化、围岩位移变化和塑性破坏区等情况,直观分析解释煤柱留设的依据。结合现场地质条件,计算赵各庄3839区域煤层开采煤柱留设宽度为66.2m。

厚煤层柔模沿空留巷工艺在神东矿区的应用

为了有效提高煤炭资源的采出率,减少巷道掘进量,以上湾煤矿12上307综采工作面即神东矿区首个在厚煤层中采用柔模沿空留巷工艺的工作面为工程背景,介绍了通过保证工程质量,架前挂网打锚索,架后打设木点柱等技术措施,保证柔模的安全架设与灌注工艺。工程实践表明:柔模沿空留巷工艺系统简单,施工速度快,留巷效果好。此沿空留巷工艺可使长度279.1m的综采工作面日推进度达到9m,具有良好的经济效益和应用前景。

淮北闸河矿区闭坑矿井水害评价及其防控技术体系

随着我国浅部煤炭资源枯竭及国家去产能政策实施,闭坑矿井数量逐年增加,矿井闭坑后,停止抽排地下水,会对邻近生产矿井产生水害威胁。以淮北闸河矿区闭坑矿井为研究对象,对闭坑矿井水位回升进行了预测,对矿区主采煤层抗拉强度进行了综合评价,最后对矿界煤柱安全性进行了评价。研究结果表明,目前矿界煤柱宽度不能满足安全需求,为此建立了闭坑矿井水害综合防控技术体系,主要包括:闭坑矿井积水过程监测、井下钻孔探查预疏、泄水巷道超前排水、过水巷道挡水闸墙设置、井下明渠流量动态监测、闭坑矿井井筒充填与加固、老窑边界综合探查与治理等技术,最终实现了受闭坑矿井水害威胁的相邻矿井的安全生产,取得了显著经济效益和社会效益,研究结果能为国内类似闭坑矿井水害防治提供依据和方法。

徐州矿区地表移动角值参数综合分析

为合理留设"三下"采煤的保护煤柱,对徐州矿区10多个开采沉陷观测站观测结果进行了系统研究和综合分析,获得了地表移动角值参数与采矿地质条件之间对应关系。研究结果表明:下山边界角、移动角与煤层倾角关系密切,上山边界角、移动角与基岩厚度有关;超前影响角与基岩厚度成正比,与采高、工作面推进速度成反比;最大下沉速度滞后角与松散层厚度所占覆岩厚度比例、工作面推进速度成正比,与采高成反比。所建系列公式正确可靠、使用方便,在徐州矿区具有广泛的应用前景。

非煤矿山采空区失稳机理及稳定性数值模拟分析

地下开采形成的采空区而引起的灾害已成为地下矿山主要灾害之一。本文从非煤矿山采空区顶板(连续性结构岩体层状顶板、非连续性碎裂结构岩体)和矿柱两个关键影响要素对采空区失稳机理进行了研究,同时结合工程实例,采用FLAC3D软件对采空区稳定性进行了数值模拟计算与分析。结果表明:采空区围岩受力及变形导致的失稳状况与理论计算相吻合,并在工程上得到了很好的验证和应用。

宿南矿区“四含”沉积相与富水性关系研究

以宿南矿区为例,通过对“四含”沉积物沉积前的古地形、沉积物的颗粒大小与磨圆度、物质来源,得出沉积相特征。结合区内“四含”水文地质特征,分析了“四含”富水性与沉积相之间的关系。经数值模拟计算的结果和沉积相与富水性之间的关系的综合分析,将区内“四含”分为强富水区、中等富水区和弱富水区三种类型,为煤矿一阶段水平开采前对于确定煤岩柱类型和留设合理的煤岩柱高度提供了技术支撑。

瞬变电磁法多装置探测技术在煤矿采空区调查中的应用

瞬变电磁法在采空区调查中得到广泛应用.本文对比了回线源和电性源两种装置在响应特征、探测能力等方面的不同特点,认为回线源瞬变电磁信号对地层灵敏度较高,电性源瞬变电磁探测深度较大.尝试将两种装置联合应用于某变电站选址地层稳定性及周边采空区调查,利用回线源数据可获得浅部地层信息,利用电性源装置探测数据可获得深部地层信息,达到了很好的效果.同时,研究结果认为电性源瞬变电磁法具有探测深度大、施工方便、工作效率高等优点,是一种可用于深部探测的值得推广的电磁方法.

济宁二号煤矿十采区隔水煤柱安全性评价

为了解决济宁二号煤矿十采区开采邻近采空区积水突水隐患问题,基于采区地质、水文地质条件,采用理论计算和数值模拟方法对煤层开采隔水煤柱破坏深度进行了理论计算和过程模拟分析,在此基础上,结合规范中经验公式对十采区与邻近十一采区间隔水煤柱稳定性进行综合分析评价。研究结果表明:按《煤矿防治水规定》采区间隔水煤柱尺寸略小于安全隔水煤柱临界值,存在发生十一采区老空水涌突的可能性,必须在十采区开采前对十一采区积水实施控压疏放,控制水压不大于0.4 MPa。该研究成果为十采区开采老空区水害防治提供了基础依据。

浅埋深蹬空底板煤柱群动态失稳机理及防治

针对山西元宝湾煤矿浅埋深上覆和下伏柱式采空区中部煤层的安全复采难题,综合采用理论分析、实验室实验、物理模拟、数值模拟和现场实测方法,探究了柱采区蹬空开采底板煤柱垂直荷载及内应力分布形态,并基于Mises等效应力探讨了柱采区蹬空煤柱潜在破坏形式;揭示了柱采区蹬空开采底板关键柱破坏形式及破坏剥落体运动特征;阐明了底板煤柱破坏次序及柱群动态失稳演化规律。提出通过柱采区注浆充填强化底板煤柱承载能力的方法来进行中层遗煤资源的回收,并据此给出了确保元宝湾煤矿6107工作面中部遗煤蹬空安全复采的底板柱采区临界充填高度。结果表明:若底板9号煤层柱式采空区不充填,层间岩层的非均匀下沉将使柱采区煤柱产生偏心压缩,导致关键柱及其剥落体出现旋转下沉的现象;当柱采区关键柱破坏失稳后,覆岩载荷呈现出双向传递的特点,整个煤柱群表现为以关键柱为中心,双向多米诺骨牌式的链式失稳特征,而三维空间中则呈现出以关键柱为圆心的外向辐射波状失稳扩展特征,柱采区关键柱的破坏失稳将诱发底板煤柱群整体失稳,导致6107工作面蹬空开采区域采掘设备及工作人员、超前煤岩体大面积塌陷等动力灾害。数值模拟及物理相似模拟结果表明,确定6107工作面蹬空段安全复采的底板柱采区临界充填高度为6 m,即充填不接顶高度为2 m,这一结论亦得到了实测结果的证实。在此基础上,针对充填效果较差且充填高度未达6 m的局部区域,进一步提出了底板空洞二次充填和加固处理方法,确保了蹬空段中层遗煤资源的安全复采。