浅埋薄基岩顶板采动突水溃砂固流耦合相似模拟试验研究

突水溃砂作为一种新型的矿井地质灾害,具有隐蔽、突发、难监测、破坏强等特点,因此,探究覆岩采动劣化特征及突水溃砂致灾机理对松散层水害防控具有指导意义。首先,通过相似材料配比与测试试验,研究了不同材料配比对材料强度、渗透特性的影响机制,并研制出一种适宜于模拟松软岩层的新型固流耦合相似材料;然后,借助采动煤层顶板涌水溃砂灾害模拟系统,进行了浅埋薄基岩、中厚基岩的单一含水结构盖层以及薄基岩含隔双层结构盖层条件下开采的相似模拟试验,分析了不同地层结构的采动裂缝空间劣化-贯通及水砂起动、运移、涌溃灾变特征,揭示了浅埋薄基岩采动突水溃砂致灾机理。试验结果表明:新型固流耦合相似材料兼具耐水、抗崩解、抗软化、低渗透、低强度、低塑性的特性,且渗透系数随碳酸钙含量的增加呈负指数衰减,单轴抗压强度呈现二次多项式增长的特点;初次来压和第一次周期来压阶段是浅埋薄基岩采动覆岩劣化诱发突水溃砂的高发期,采动裂缝平面呈“OX”分布,随基岩与松散层底部黏土层的厚度增加,覆岩由拉剪破坏逐渐转变为拉张破坏,裂缝形态由“垂向直通形”转变为“倒楔形多层交错叠加组合”,裂缝开度减小,通畅度变差,可降低诱发突水溃砂风险几率与危害程度;通道开度(宽度)与砂体粒径的相对关系(简称“裂粒比”)以及通道通畅度是决定突水溃砂发生与否及致灾程度的关键。

薄煤层高精度透明地质模型构建与应用

陕煤黄陵矿业双龙煤矿智能工作面建设过程中,由于薄煤层开采作业空间有限,严重制约了智能化采煤装备的运行效率。为此,在综合分析地质条件的基础上,对工作面进行高精度透明地质模型构建工作,提高智能综采精细化程度。在综合地质勘探资料的基础上构建地层模型、断层模型,并结合巷道写实动态更新地质模型提高精度,保持回采前方50 m范围内地质模型顶底板精度在0.2 m左右,并结合截割工艺下发地质参数,为薄煤层智能精准开采提供了依据,减轻了井下工人的工作强度,从而提高了工作效率。

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。

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。

薄煤层开采覆岩“三带”可视化探测方法研究

薄煤层资源开采受上覆煤层瓦斯影响严重,采空区覆岩“三带”范围的探测对安全生产具有重要意义。基于此,开展了煤岩加载电阻率测试实验,分析了煤岩受载破坏过程中电阻率变化和分布规律,并根据现场实际进行了覆岩“三带”埋深规律理论分析及数值模拟,然后开展现场测试。应用直流电法进行的工作面电法测试正演“三带”视电阻率分布规律主要结论如下:煤样裂隙的扩展导致电阻率的变化,其电阻率突增点与煤岩破坏点具有良好的对应性;煤岩受载破坏过程中,电阻率等值线图在载荷作用下存在异常区域,且随煤岩受载产生的不均匀变形产生迁移;煤层开采中采空区受到割顶后集体下沉,将会在采空区上部的裂隙区形成较大的割裂区域,这部分割裂区域内部存在着较大的裂隙,并且会扩展到回风巷顶板岩层中,导致岩层中裂隙增加。电法探测结果表明:实践矿井工作面到垮落带水平距离约为20 m左右,断裂带影响阻值变大,其高度为17 m,该结果与理论计算及数值模拟结果一致。

薄基岩区覆岩采动破坏特征与控水控砂性能评价

针对浅部煤层露头区近松散含水层下开采溃水溃砂问题,以鲁西煤矿3上126工作面为工程背景,采用物理模拟、数值模拟与现场实测三者相结合的方法,研究了该工作面覆岩破坏特征及导水裂隙带高度,基于黏土层、风氧化带和保护层建立了控水控砂关键层的评判标准及控水控砂性能评价体系,结合现场实测裂采比预计了不同采高条件下导水裂隙带高度,进而确定了不同基岩厚度条件下的限高开采方案。结果表明,在采高3.5 m条件下,物理模拟和数值模拟导水裂隙带高度分别为43.5、46.5 m,裂采比分别为12.43、13.29,而现场实测导水裂隙带高度为41.51 m,裂采比为11.86;3上126工作面上覆黏土层和风氧化带控水控砂性能高,因此,影响安全开采的因素主要为保护层的控水控砂性能,其主要取决于剩余基岩厚度与采高比值。不同基岩厚度条件下的分段限高开采方案,为提高开采上限和防治新生界底部松散含水层水害提供了理论依据。

AVO梯度谱蓝化在中深层薄砂岩刻画中的应用

传统谱蓝化主要用于叠后地震拓频处理,适用于测井波阻抗能较好辨别砂、泥岩的浅层,对于中深层阻抗混叠区局限性较大。AVO梯度反映相对反射系数随炮检距的变化,与泊松比变化率呈现正相关,而泊松比能较好辨别中深层砂、泥岩。本文首先通过岩性组合、物性及流体等参数变化,正演论证了AVO梯度在中深层辨识砂岩顶界面的可靠性与稳定性;进一步地,针对中深层薄砂岩刻画精度低问题,提出一种基于AVO梯度信息的谱蓝化地震拓频技术,通过对AVO梯度谱蓝化拓频,提高薄储层刻画精度。模型试算及实际应用表明:基于AVO梯度的谱蓝化可以直接运用AVO梯度辨识储层界面信息,简化基于CRP道集或角度部分叠加的多参数岩性预测方法;同时,该方法较好解决了XH凹陷深埋地层薄砂岩刻画难题,对中深层地震高分辨率处理有一定借鉴意义。

小波变换与最大熵法联合计算薄层厚度

薄层、薄互层厚度的预测是储层横向预测的一个重要环节。常规计算薄层厚度的方法是在时间域或频率域上通过提取单参数来实现的。本文则利用小坡变换，在时一频域进行最大滴分析，并提取多种特征参数；然后利用对薄层厚度敏感的地震特征参数之间的非线性关系，使用神经网络算法，建立了一套计算薄层及薄互层厚度的方法。理论模型的正反演结果表明：该算法对薄层厚度及薄互层累积厚度的预测均有较好的效果，且具有一定的抗噪声能力。我们还利用本文所述方法对TZ地区DL－92－04测线部分剖面的石炭系I油组薄互层砂岩的累积厚度进行了预测，结果令人满意。

固体密实充填采煤覆岩移动弹性地基薄板模型

固体充填采煤覆岩移动规律与传统垮落法开采相比发生了本质的变化,为准确地计算固体充填入采空区后上覆岩层的移动规律,在分析固体密实充填采煤覆岩移动特征的基础上,采用弹性地基薄板理论,建立了固体密实充填采煤充填体-基本顶力学模型,推导出了采场基本顶挠度、应力方程以及基本顶发生破断的临界条件,分析得出弹性地基系数是影响顶板移动变形的关键因素,并结合相关参数给出了基本顶最大下沉量和最大应力值随弹性地基系数的变化规律。平煤十二矿己15-13080充填采煤工作面工程实践结果表明:实测基本顶最大下沉值为347 mm,与理论计算结果相符。

薄煤层超高水材料充填开采相似模拟试验研究

以山东某矿煤岩赋存条件为原型,取线性比C l=1/150、时间比C t=1/150、强度比C R=1.43×10-3进行了薄煤层(厚度1.2 m)超高水材料充填开采相似模拟试验研究。设计了试验参数及超高水材料在模型采空区的充填方法,揭示了薄煤层超高水材料充填开采采场覆岩及地表活动规律,并与类似条件下的垮落法开采进行了对比。结果表明:与垮落法开采相比,超高水材料充填开采时工作面超前支承压力的影响范围缩小且峰值明显降低,工作面后方上覆岩层稳定时间缩短,没有出现垮落带与明显断裂带;该技术能将地表移动和变形控制在规定要求的范围内,提高充填率有助于降低覆岩活动与地表变形程度。

相位转换在浊积岩储层研究中的应用

为了研究地震资料的相位与地层识别的关系，在模型正演的基础上，分别就90°相位与零相位地震资料分析了地震反射与地层的对应关系和薄层间的子波旁瓣效应。对于厚度小于1／4波长的地层，90°相位旋转可使地震资料取得更高的识别效果。讨论了相位转换技术的可行性，相位转换技术适用于牛83井区浊积岩的研究，相位转换后的振幅可与波阻抗结合起来用于研究浊积岩储层的分布。

巨厚松散层下煤层开采薄基岩变形及矿压显现研究

以赵固一矿12051综采工作面为研究对象,采用UDEC数值模拟软件对巨厚松散层条件下煤层开采薄基岩变形及矿压显现进行了研究。结果表明:(1)工作面初次来压步距为55 m,周期来压步距为15m;开采后上覆薄基岩出现垮落带和裂隙带,垮落带高度为12.4 m,垮采比为3.54,裂隙带高度为36.7m,裂采比为10.48。(2)随着工作面推进距离的不断增加,工作面前方支承压力影响区范围、支承压力峰值和塑性区范围均增加;当基本顶初次来压后,工作面前方支承压力处于稳定状态,主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持不变。研究结果可为类似地质条件下综采工作面围岩控制提供依据。

大柳塔煤矿薄基岩浅埋煤层工作面矿压规律研究

为了研究薄基岩浅埋煤层矿压规律,防止薄基岩浅埋煤层工作面发生切顶事故,造成溃砂溃水事故,通过对大柳塔煤矿22614工作面现场矿压观测,得出了薄基岩浅埋煤层工作面矿压显现规律,结果表明:工作面上覆基岩厚度大于10 m的区域,工作面顶板来压比较明显,支架动载系数相对比较大,工作面上覆基岩厚度小于10 m的区域,工作面顶板来压不明显,实测工作面支架工作阻力大部分为5 400～7 200 kN,现有支架能满足生产需求。

地表下沉力学模型的建立及应用

针对采动覆岩移动的规律,由弯曲下沉带的挠曲特 性,应用薄板挠曲理论,建立地表下沉的最大值力学模型, 预测覆岩离层未注浆和注浆条件下地表的下沉值.

倾斜薄煤层开采工作面覆岩活动的规律

为解决倾斜薄煤层顶板控制技术难题,以东风煤矿倾斜薄煤层开采为背景,运用RFPA2D软件,建立数值模型,分析不同倾角下薄煤层工作面覆岩活动规律及顶板失稳特征。结果表明:倾斜薄煤层开采后,直接顶从采空区中部偏上向采空区弯曲,最后发生断裂破坏形成冒落带,顶板冒落沿层面向下滑动,冒落呈不对称形状;倾斜薄煤层工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小;随着煤层倾角的增大,顶板沿煤层倾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,导致工作面推进方向的工作面矿压显现逐渐变缓,顶板下沉量也将变小。该研究为类似地质条件的倾斜薄煤层工作面顶板控制提供了理论依据。

薄基岩浅埋煤层综采工作面矿压规律及围岩控制研究

通过对大柳塔22614薄基岩浅埋深综采工作面的矿压实测研究,对其矿压显现特征及来压规律进行了详细的分析,并对支架对工作面的适应性做了评价。得出如下结论:周期来压步距随基岩厚度增大而增大,来压强度随基岩厚度增大而减小,基岩变厚区比基岩变薄区来压步距大、来压强度大,9000kN支架基本符合该工作面开采要求等。

川东北复杂压力体系气井固井技术

川东北地区普光、河坝、元坝等区块的海相天然气藏勘探取得了重大突破,该地区目的层埋藏深,地层压力和温度高,H2S和CO2含量高,属"三高"气田。陆相和海相地层有多套压力系统,长封固段和小间隙是固井工艺面临的主要挑战,H2S和CO2对气井长期安全造成威胁。2006年以前川东北探井的技术套管和生产套管固井的一次合格率仅为80%和72%。通过研究应用胶乳防腐防气窜水泥浆体系,紧密堆积高密度防气窜水泥浆体系,正注反挤工艺和分段压稳模型设计环空液柱结构等体系和工艺技术,固井质量较2006年前有大幅度提高。普光气田固井质量合格率100%,优良率达到90%,为普光气田顺利投产供气提供了保障。

采场覆岩“宏观-大-小”结构及其失稳致灾机理

针对薄基岩工作面易发生顶板整体切落压架事故问题,采用理论分析和数值模拟对一般工作面和薄基岩工作面采场覆岩结构失稳致灾机理进行对比研究。建立采场覆岩"宏观-大-小"结构力学模型,确定不同覆岩结构失稳支架临界工作阻力,分析了关键层上覆载荷对关键层破断形式和破断块体稳定性的影响,并通过UDEC数值模拟软件对典型工程地质条件下采场覆岩结构及应力场演化特征进行了模拟验证。研究结果表明:(1)一般工作面回采后,采场覆岩中会自下而上依次形成"支架-围岩"小结构、"砌体梁"大结构、"压力拱"宏观结构,小结构的稳定性取决于大结构的稳定性,而大结构的稳定性又取决于宏观结构的稳定性;(2)在宏观结构的保护作用下,关键层上覆载荷较小,关键层破断岩块容易形成"砌体梁"平衡结构,作用在支架上的力较小,工作面矿压显现缓和;(3)随着关键层上覆载荷增大,关键层破断步距减小,破断形式由弯拉破断转变为剪切破断;(4)当关键层破断岩块上覆载荷过大,大结构发生失稳,关键层自重及其上覆载荷经垮落带岩层作用在采场支架上,导致小结构失稳,发生压架事故;(5)薄基岩工作面采场覆岩中无法形成宏观结构,上覆岩层在承压含水层水压力及自重作用下沿煤壁发生全厚整体切落,易造成工作面压架事故;(6)一般厚层坚硬顶板工作面来压步距越大,矿压显现越剧烈,而薄基岩工作面来压步距小,矿压显现反而剧烈。

厚煤层整层开采关键层对垮落高度的影响分析

对现有的上覆岩层垮落带高度判定公式进行理论分析,进行实验室相似模拟试验,得出随着工作面的推进,关键层是否进入垮落带,取决于自身断裂的块度、厚度以及断裂长度三因素。确定以关键层为研究对象,建立四边固支的弹性薄板力学模型,推导出其极限悬露断裂步距准则,对其断裂后是否进入垮落带,给出判定准则,并结合工程背景计算实际关键层的断裂步距,与现场观测数据值接近,认为计算比较客观。最终形成以关键层为主体的厚煤层整层开采上覆岩层垮落带高度的确定方法。

薄煤层钻采卸压覆岩运动相似模拟研究

针对螺旋钻开采薄煤层保护层的条件,采用相似模拟实验,模拟薄煤层钻采后上覆岩层运动破断规律,确定了岩层破坏形式与裂隙发育特征。在近距离煤层群开采时,采用钻采方式开采保护层能够在不破坏被保护层整体结构的同时,起到有效卸压作用。钻采工作面覆岩运动规律与顶板位移与长壁工作面存在差异。