厚冲积层薄基岩条件下采动井稳孔工艺与应用

以平煤股份八矿煤层气采动井01井为研究对象,借助钻井窥视仪获取了不同层位的套管变形破坏特征,分析了导致套管变形的主要影响因素。在此基础上,设计了基于“抗、让、防”稳孔工艺的井身结构和稳孔措施,并对同一井场的05井应用。结果表明,同产气周期下,基于稳孔工艺设计的采动井套管完整度高、变形小、产气量稳定。此稳孔工艺可为相似地质条件下的采动井井身结构设计提供经验参考。

基于地质概化的坚硬厚基岩覆岩裂隙场演变特征研究

精准掌握采动覆岩导水裂隙带演化特征是防止工作面突水灾害发生的重要基础,尤其对于西部矿井高强开采条件尤为重要。以榆树湾煤矿201西翼盘区为背景,以各砂岩层单轴抗压强度、RQD、砂岩层厚度作为系统聚类分析指标提出了厚基岩地质概化方法,系统研究了不同基岩层厚度对导水裂隙带发育高度、裂隙角度、频次、节理应变能演变规律的影响,确定了导水裂隙带高度与节理总应变能的量化关系。研究结果表明:基于地质概化方法模拟所得导水裂隙带发育高度随基岩厚度增大呈现对数正相关增大趋势,且增加速率逐渐减小,该规律通过与邻近矿井实测结果对比分析,验证了其准确性;随着基岩厚度的增大,导水裂隙带内垂直裂隙发育频次显著增大,水平裂隙反之,这表明基岩厚度的增大对导水裂隙带内水平裂纹的萌生与扩展具有一定抑制作用;导水裂隙带发育高度与覆岩能量释放程度密切相关,随节理最大应变能和总应变能的增加呈指数增加特点,且增加速率逐渐增大。

桂北典型岩溶区植物alpha和beta多样性特征及影响因素

母岩对景观演化和生物定植起着决定性作用,但母岩对区植物多样性是否产生影响是地学、植物学和生态学共同关注的热点。以桂北冠岩、恭城两个典型岩溶区3种母岩(灰岩、碎屑岩、灰岩夹白云岩)天然次生林为研究对象,基于野外调查数据,分析了岩溶区植物alpha和beta多样性特征及影响因素。结果显示:(1)研究区内物种相对丰富,共记录乔木86种、灌木93种、草本56种,灰岩植物alpha多样性最高,碎屑岩次之,灰岩夹白云岩最低;(2)不同母岩和同一母岩区的植物群落相异性均较高,物种周转组分对beta多样性贡献(82.86%—84.49%)显著高于物种丰富度组分(15.51%—17.14%);(3)Pearson和Mantel分析表明,母岩、基岩裸露率和土壤厚度与桂北岩溶区植物alpha和beta多样性显著相关(P<0.05)。综上所述,桂北岩溶森林林分异质性较高,碳酸岩混合沉积区植物多样性显著低于纯灰岩和碎屑岩。植物组成差异主要取决于物种周转过程,母岩、基岩裸露和土壤厚度是主要影响因素。本研究从母岩的角度评估了岩溶森林的植物多样性特征及主要影响因素,为桂北乃至中国西南岩溶地区植被保护和重建提供科学依据和理论支持。

厚松散层薄基岩下分层开采覆岩破坏高度研究

以赵固一矿厚松散层薄基岩下分层工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟研究、钻孔冲洗液漏失量观测及钻孔窥视方法对采后覆岩破坏高度进行研究,研究表明:采用经验公式计算得到下分层工作面采后,顶板垮落带发育高度为6.93~27.72 m,导水裂缝带发育高度为22.17~71.73 m;数值模拟结果表明下分层采高2.5 m、累计采高6 m时,最大垮采比为2.61,而累计采厚小于6 m、基岩厚度不小于30 m、黏土层厚度大于5 m时可认为黏土层厚度能够阻隔导水裂缝带向上发育;采用现场实测方法得到累计采厚5.8 m处,垮落带15.26 m,垮采比为2.62,导水裂缝带55.59 m,裂采比为9.58。东一盘区下分层工作面后开采覆岩破坏高度的规律,可以为该矿下分层工作面时确定防水、防砂安全煤(岩)柱厚度提供理论依据。

厚松散层薄基岩煤层开采地表沉降速度及其影响因素研究

为研究厚松散层薄基岩煤层开采引起的地表沉降速度变化规律,以淮南矿区某矿110801首采工作面为工程背景,采用有限差分软件FLAC3D分别对不同开采速度、采高、采宽、松散层厚度和基岩层厚度条件下煤层开采地表沉降速度进行模拟研究,分析地表沉降速度变化规律及各影响参数对地表沉降速度的敏感性大小。结果表明:地表沉降速度随开采速度、采高、采宽的增大而增大,但随基岩层厚度、松散层厚度的增大而减小;地表最大沉降速度随开采速度、采高、采宽的增大而线性增大,随松散层厚度的增大而线性减小,与基岩层厚度呈幂函数减小关系;各影响因素对地表最大沉降速度的敏感性从大到小依次为采宽、基岩层厚度、松散层厚度、开采速度、采高。

转龙湾矿浅埋薄基岩厚煤层双巷掘进巷间煤柱合理尺寸研究

鄂尔多斯矿区浅埋薄基岩厚煤层工作面双巷掘进普遍采用19~30 m大煤柱护巷,煤炭资源损失严重。为确定转龙湾矿厚煤层23205工作面双巷掘进巷间煤柱合理尺寸,通过极限平衡理论分析得出合理最小煤柱宽度为11.38~20.94 m;采用FLAC^(3D)数值模拟分析了不同巷间煤柱宽度双巷掘进围岩应力、塑性区及位移分布演化规律。研究表明,转龙湾矿23205工作面巷间煤柱宽度最小合理尺寸为14 m左右,实际采用13.8 m巷间煤柱,实践表明巷道维护效果良好。

台格庙矿区钻井法凿井钻进工艺可行性研究

神华新街台格庙矿区一井东部风井井筒设计成井深度857.5 m,设计净直径7.0 m,设计井壁厚度850 mm,以此为工程背景,从地质特征、工程条件、装备能力、钻井分级工艺等方面,分析了采用竖井钻机钻井法凿井钻进工艺的可行性。研究了拟建井筒穿越的地层及其岩石力学特性,基岩厚度将达到870 m,基岩占比达到99.3%;基于地质条件、井筒功能和井筒设计参数,计算得出钻井深度将达875 m、钻井直径为10.2 m,并梳理了全岩地层深大直径井筒机械破岩钻进面临的难题;对比分析了东部深厚冲积地层和西部厚基岩地层钻进分级工艺,分析确定了“一扩成井”钻进工艺具有可行性,超前钻孔直径范围为6.5~7 m,扩孔钻进直径为10.2 m。

深埋薄基岩厚煤层工作面开采论证与液压支架选型研究

为保障深埋薄基岩厚煤层工作面安全高效生产,本文结合郭屯煤矿三采区地质条件,从安全、技术、环境和经济方面对采煤工艺进行了四位一体化的分析论证,并对液压支架进行选型,利用数值模拟软件验证了工作面液压支架设备配套的可行性。研究结果表明:薄基岩厚煤层工作面采用一次采全高采煤工艺相较于放顶煤工艺具有良好的的经济效益;工作面选用基本液压支架为ZY13000/28/63D型支架能够满足工作面的正常回采要求。深埋薄基岩大采高综采面设备配套将为矿井的安全高效生产提供保障。

不同松散层第四含水层水压条件下关键层破断力学机理研究

针对松散层第四含水层突水灾害防治问题,以岩层控制的关键层理论和中厚板理论为基础,对松散层第四含水层水压与主关键层之间的破断运移规律进行研究。统计并分析了6个典型厚松散层矿区的18个矿井松散层第四含水层水压、松基比及松散层厚度之间的关系,发现松基比和松散层厚度与松散层第四含水层水压之间呈显著的正相关。通过中厚板理论分析了不同松散层第四含水层水压条件下关键层破断力学机理,得出随着松散层第四含水层水压的增大,关键层破断力学因素由拉破断转化为剪破断。数值模拟分析验证了,随着水压的增加,剪应力占比逐渐增大,且关键块之间的结构也由连续且稳定砌体梁结构转换为非连续易失稳的台阶岩梁结构。松散层第四含水层水压的增大可能促使采空区原本稳定的砌体梁结构转化为台阶岩梁结构,促进导水裂隙带的发育。同时,在关键层岩块结构中出现了砌体梁与台阶岩梁共存的现象。不同松基比岩移边界线具有明显的“类指数曲线”特征,随着松基比的增加,岩移边界线由“直线”转化为“类指数曲线”,且工作面推进过程中的覆岩运移具有明显的分区特征。

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。

厚松散层薄基岩下开采地表变形规律——以鲁南矿区为例

我国东部厚松散层薄基岩矿区开采地表沉陷普遍具有下沉量大、移动范围广、稳沉时间长等特征。本文以鲁南矿区某煤矿为例,探讨了不同松散层与基岩厚度比条件下煤层开采的地表变形参数变化规律,在现场实测的基础上,采用FLAC3D数值模拟技术,建立不同松基比(0.25~5.00)条件下煤层开采的地表变形计算模型,研究了地表变形特征,分析了松基比对概率积分法参数的影响,并从开采沉陷的角度对厚松散层薄基岩条件进行了定量分析与探讨。研究表明:(1)在开采厚度相同条件下,当松基比不断增大时,地表变形量呈明显的先增大后减小特征,在松基比达到某一限值后,地表变形趋于稳定;(2)下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切均随着松基比增大表现为先增大后减小的关系,松基比拐点分别为1.75、1.25和1.25;(3)松散层厚度在平均采深中所占的比例对移动角、边界角具有较大的影响,边界角、移动角随着松基比的增大逐渐减小。基于上述研究,提出将松基比为1.25~1.75作为厚松散层薄基岩条件的临界值,为我国东部典型厚松散层薄基岩矿区地表变形预计和开采沉陷灾害防控提供了理论基础。

厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征

为研究厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏特征,以千树塔煤矿12305工作面为研究背景,综合运用UDEC数值模拟、现场实测和理论分析等方法研究了工作面开采后厚土层薄基岩类似地质条件下覆岩移动破坏规律。结果表明:随着工作面不断推进,覆岩破坏高度变化呈现出缓增、突增、稳定3个阶段,缓增和突增阶段主要发生在薄基岩中,而稳定阶段则发生在厚土层中,同时厚土层存在一定的液性指数,导致地表下沉滞后;通过冲洗液漏失量观测和注水试验得到该工作面导水裂缝带发育高度为84.5~86.5 m,裂采比为7.9~8.1,数值模拟及理论计算结果均与实测结果较为接近;阐述了厚土层薄基岩“两带”破坏模式,该模式中薄基岩和厚土层分别起到支撑和施荷的作用,薄基岩易被采动裂缝贯穿,而厚土层对采动裂缝的上向发育具有抑制作用。研究结果可为类似条件下矿井的安全生产提供参考。

焦作矿区薄基岩厚松散层工作面微震响应特征

为探究不同基岩厚度对薄基岩厚松散层工作面微震响应特征的影响,以焦作某矿14030工作面为例,依据基采比划分8.8~9.5,12.7~17.8两个阶段,对不同阶段的微震事件数量和能量的时空分布规律进行研究。结合工作面地质条件资料,阐明了工作面基岩厚度与微震活动特性的对应关系:微震事件呈现低位岩层聚集、高位岩层离散分布的特征;基岩厚度较小时,微震事件在基岩段均有分布,微震事件影响范围并未突破基岩顶界面;微震事件数量与每日推进距离近似成正比;随着基采比的增大,周期来压步距增加,基采比为12.7~17.8阶段较8.8~9.5阶段的周期来压步距增加了2.29m,底板破坏深度减少了35.2%,且日均微震事件数量在日均推进距离增加的条件下亦显著减少。研究成果可为分析厚松散层薄基岩矿井微震活动、覆岩破坏和矿压显现特征的相互关系提供参考。

基于瓦斯地质单元划分的瓦斯赋存规律分析

搞清井田瓦斯赋存规律是瓦斯治理的基础,是矿井实现“一矿一策,一区一策”瓦斯治理措施的保障。以古汉山井田为例,运用瓦斯赋存构造逐级控制理论,在分析区域构造演化及控制的基础上,探讨了古汉山井田瓦斯赋存规律及主控因素。研究结果表明,石炭-二叠系含煤地层沉积之后经历的多期构造运动造就了焦作煤田现今的构造格局及瓦斯赋存特征。以团相断层及其NE向延伸方向断层为界,将古汉山井田划分为3个瓦斯地质单元。马坊泉断层与团相断层间形成的地堑是造成瓦斯地质单元1上覆基岩厚度为井田最厚的原因,同等埋深条件下瓦斯地质单元1上覆基岩厚度厚是造成该区瓦斯含量高的主要原因;赤庄断层形成的煤层隐伏露头和上覆基岩厚度薄是瓦斯地质单元2瓦斯含量井田最低的主要原因;上覆基岩厚度相同情况下瓦斯地质单元1和3瓦斯含量相差不大。

厚松散层薄基岩煤层顶板富水性并行电法

厚松散层薄基岩煤层顶板水害亟需有效手段查明,以保障煤矿安全开采。基于并行电法的O型观测系统,可一次同步采集全工作面全空间电场电位值,减少不同时间测量数据的干扰,有效增加地电场数据辐射范围和密度,增强三维顶板探查精准度;在试验工作面回采前,布置O型观测系统并对其进行数据反演,得到煤层顶板存在两处低阻异常区和煤层顶板薄基岩面分布形态,为工作面开采前提供有效的疏放水靶区,并指导后续电法监测钻孔位置设计。

薄基岩厚松散层煤层覆岩导水断裂带发育高度研究

为了研究薄基岩厚松散层条件下煤层覆岩导水断裂带高度发育情况,在山西三元煤矿3301工作面进行了工程试验,依据经验公式法对三元煤矿3301工作面3#煤层覆岩条件下的导水断裂带高度进行了理论预测,采用数值模拟的方法分析了3#煤层覆岩分布条件下采动导水断裂带高度的动态变化过程,并利用煤矿井下分段注水观测方法对3301工作面导水断裂带高度进行了现场试验观测。结果表明:采用上述3种方法得出的三元煤矿3301工作面导水断裂带高度分别为62.9、64.0、61.1 m,所得结果十分接近。为了确保安全,导水断裂带高度应取现场观测最大值64.4 m。

6305综放工作面厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析

为了探索厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析,以典型的厚表土层薄基岩厚煤层开采的新巨龙煤矿6305综放工作面为基础,采用理论分析和现场实测相结合的方法进行研究。首先研究得出6305综放工作面地表下沉可分为3个阶段,分别为缓慢下沉阶段、加速下沉阶段、下沉衰减阶段,并分析了各阶段的地表下沉特征,然后基于6305综放工作面覆岩运动和微震数据解释了该工作面地表沉陷特征及三阶段产生原因。

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进ϕ8.5m井筒,钻头的破岩面积近56.8 m^(2),宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而ϕ4.2m钻头超前钻孔和ϕ8.5m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井ϕ8.5m全断面一次钻进深度达到491.0m,最高月进尺62.3m,回风井ϕ4.2m钻头超前钻进深度513.1m,最高月进尺110.4m,ϕ8.5m钻头扩孔钻进深度为511.0m,最高月进尺171.3m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井提供参考。

西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。