Theoretical analysis on water-inrush mechanism of concealed collapse pillars in floor

In order to study the water-inrush mechanism of concealed collapse pillars from the mechanical view, a mechanical model for water-inrush of collapse pillars has been established based on thick plate theory of elastic mechanics in this paper.By solving this model the deformation of water-resistant rock strata under the action of water pressure and the expression of critical water pressure for collapse pillar waterinrush have been obtained The research results indicate that：the boundary conditions and strength of water-resistant strata play important roles in influencing water-inrush of collapse pillars.The critical water-inrush pressure is determined by both relative thickness and absolute thickness of water-resistant strata.

水仓防隔水煤柱安全评价及注浆加固治理研究

某煤矿水仓的砌碹巷道在开采的扰动、防隔水煤柱宽度留设不足、砌碹壁后充填不密实等情况下,使得周边采空区水渗漏至水仓,极大影响了水仓的安全稳定。为进一步加强水仓煤柱的稳定性,运用地面钻孔及井下钻孔相结合的方法进行注浆加固。采用地面钻孔注浆充填井下硐室,硐室充填沙子245~328 m^(3)、水泥487~650 t,充填材料体积远远大于硐室体积220 m^(3),有效增加了煤柱厚度;利用井下钻孔在砌碹处进行水泥注浆与水化学注浆,使得砌碹裂缝处涌水量由15 m^(3)/h降至为零,砌碹壁后空隙充填效果良好。通过对煤柱及砌碹壁后空隙的注浆充填,有效提高了水仓防隔水煤柱的稳定性。

循环水浸作用下煤体孔隙与损伤演化机制实验研究

煤柱坝体作为矿井采空区水库的主要承载结构,在多场耦合影响下的损伤失稳机制直接制约采空区水库的长期安全稳定运行。本文借助核磁共振(NMR)研究了“单侧”浸水条件下不同次数循环浸水下煤样T2谱图、孔喉、孔隙率变化和核磁图像演化规律,分析了单侧循环浸水次数不断增加下煤样内部孔隙演化规律以及单轴压缩破坏形态特征,揭示了煤样水浸损伤破坏机制,结果表明,随循环浸水次数的增加,煤样孔隙数、孔喉占比、孔隙率均保持增长的态势,分别增长了67.18%、3.48%、3.49%。煤样单轴抗压强度与残余强度逐渐减小,煤样的平均峰值强度由15.74 MPa依次下降到11.76、9.65、8.41 MPa,循环浸水9次煤样相较于初始状态煤样的平均单轴抗压强度下降46.56%,平均残余强度从未循环浸水的5.55 MPa依次下降到3.08、2.44、0 MPa。煤样单侧循环浸水水分子由浸水侧逐渐向煤样内部渗流,最后扩展至整个煤样,进一步造成孔隙率增加。长期的循环浸水对煤样的软化作用十分显著。研究结果为采空区水库空间结构稳定性控制提供了科学依据。

基于RSM的超细水泥注浆材料配比及性能优化模型

注浆堵水技术已成为水害措施防范向工程治理不可缺少的技术之一,超细材料的研究也成为了目前注浆材料发展的新方向。为了解决矿井水害注浆治理工程中注浆材料优选和配比优化问题,采用单因素试验与响应曲面法(RSM)相结合的方法进行超细水泥注浆材料优化配比研究。首先通过单因素试验对不同水灰比、硅灰(SF)掺量及高效聚羧酸减水剂(PCS)掺量条件下浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度进行分析,以确定RSM最佳基准水平,其次构建以浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型,结合方差、残差及响应曲面分析各响应变量对响应目标的影响规律,确定注浆材料最优配比。通过单因素试验结果对比分析,发现最优水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为1∶1、35%及0.3%。通过RSM研究发现,浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度不仅受单一因素影响,且存在多因素交互作用。根据建立的二次多项式响应面回归预测模型可知,当水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为0.7∶1、38%及0.2%时,注浆材料性能最优,其回归模拟预测浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度分别为210.82 mPa·s、1.0%及12.22 MPa。通过室内试验,其结果与预测模型结果吻合度较高,进一步验证了模型的可靠性,证明了该模型能够用于注浆材料优化配比设计研究。

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC3D数值模拟软件对10~15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:①开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;②矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10~13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;③考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;④隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。

四川荣州盐矿储油库建设的地质与技术可行性探讨

结合四川荣州盐矿地质条件,提出了在该地区建造100万吨盐穴战略石油储备库的构想。本文分析了荣州盐矿顶板的封闭性,提出了利用双直井建造水平溶腔的思路,计算了建造100万吨储油规模所需要的腔体数量、矿柱宽度和规划面积,探讨了盐穴战略石油储备库在建设和运行阶段的投资运营方式,并对储油库的潜在经济收益进行了分析,可以为我国盐穴储油库的建设提供指导和依据。

基于降雨量数据的程潮铁矿涌水量时序性预测模型

无底柱分段崩落法开采必然形成大范围的地表塌陷区,所分布的导水裂隙将导致大量的地表降水向下渗透,引起巷道涌水量骤增,程潮铁矿现已进入-500 m开采水平,大气降雨与崩落法开采所引发的裂隙持续动态发展之间的相互作用机制十分复杂。因此,为科学准确地预测井下涌水量,本研究提出了一种以降雨量为输入数据的涌水量灰色GM(1,2)时序性预测模型。以程潮铁矿2019—2021年的降雨量、涌水量实际数据为训练样本,充分考虑崩落法开采对上覆岩体的持续影响,引入时序性系数K对模型进行优化,最终建立的灰色GM(1,2)时序性预测模型与传统的GM(1,2)预测模型相比,预测精度平均提高了7.79%。运用该模型对2022年的涌水量进行预测检验结果表明,其旱、雨两季的预测精度分别为93.51%、93.58%,预测效果较好。研究成果是通过地表降雨量数据直接预测矿山井下涌水量数据的一种有效方法。

锡矿山锑矿非典型矿体采矿方法和工艺探索

锡矿山锑矿矿体属于典型的缓倾斜似层状中厚类型矿体,其采矿时根据矿体产状、矿石品位及地表允许陷落情况需分别采用充填法和空场房柱法开采。随着开采向纵深发展,矿体由缓倾斜趋于倾斜,且由厚趋薄,中段高度也由36 m改为50 m。单纯依靠充填法和空场房柱法已难以适应矿体变化的需要。针对矿体不同形态试验研究杆柱砂浆充填采矿法、壁式充填(水压支柱护顶)采矿法、倾斜(急倾斜)薄矿体上向连续采矿法,以满足矿体的开采要求。

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。

某大水矿山近矿体帷幕注浆联合防治水方案研究

防治水是维持矿山安全生产及可持续发展的重要环节。某铁矿为岩溶大水矿山,预计矿体开采后涌水量可达19164.36 m^(3)/d,给采矿作业带来安全隐患。基于矿山水文地质特征及井下实际开采条件,采用超前探水、近矿体帷幕注浆及防渗帷幕加强隔水矿柱等方法,最终在上部中段矿体形成完全闭合隔水体,在下部中段矿体形成不完全闭合的防渗隔水层。提出的“堵避结合,预测先行”联合防治水方案能够有效保障矿体安全开采,可供类似大水矿山参考借鉴。

杨柳煤矿小陈家断层活化及煤柱留设研究

含有断层的工作面开采极易引发断层活化,已经成为煤矿突水防治研究的热点问题之一。根据矿井及采区地质与水文地质条件,借助FLAC^(3D)数值模拟软件,建立三维地质模型。模拟分析了断层带内塑性区、应力以及滑移量随煤柱宽度的变化特征,留设了合理防水煤柱。结果表明:随着煤柱宽度的减小,断层带滑移量不断增加,采空区顶底板破坏区不断扩大,当工作面推进距离断层带30 m时,顶板破坏带与断层带导通,断层带发生活化,易引起突水事故。综合数值模拟和理论公式结果得出断层煤柱合理留设宽度不小于30 m。该研究成果为矿井安全生产及合理留设煤柱提供了参考依据。

含水充填体下采场矿体安全回采技术研究

与传统“水害”问题不同,玉溪大红山矿业公司I号铜矿带深部采用点柱式上向水平分层充填法开采,由于大范围采空区采用水力充填后排水效果差,导致充填体中含有大量充填水,在多年的生产作业过程中充填水不断补给并向下渗透,形成含水充填体,对下部中段向上开采产生严重安全威胁。研究从含水充填体特性、探放水方案、隔离顶柱留设厚度及安全回采技术等方面开展了深入研究;综合采用理论计算、钻探、物探等手段得到了赋水特性;制定了从各回采联道向上施工放水孔疏干上中段充填体水的探放水方案;采用理论计算和数值模拟的手段得到了在疏干和赋水工况下各中段留设隔离顶柱最小安全厚度;优化了回采安全技术及充填减排水方案。项目成果取得了成功应用,在保障安全开采的同时最大程度回收了资源,对于产生同类“水害”问题的矿山具有较高的借鉴意义。

不同水体积比超高水材料充填开采煤柱稳定性研究

以某矿超高水材料充填开采为工程背景,分析了充填工作面煤柱稳定性条件,通过数值模拟方法研究了超高水充填条件下煤柱在不同水体积比条件下的煤柱内部应力情况、变形破坏特征及塑性区发育范围。研究结果表明:在理想条件下,为保证煤柱的稳定性,充填体对煤柱的侧向压力至少为2.5 MPa;当超高水材料水体积比低于95%时,煤柱内部应力集中较小,煤柱顶板位移较小,边缘仅出现塑性区,无破裂区,能够维持煤柱稳定性;当超高水材料水体积比超过95%时,充填体仍能较有效保护煤柱,但煤柱内部应力集聚较大,顶板位移增大,煤柱弹性核区减小,煤柱稳定性变差。

浸水煤样强度劣化机理与防隔水煤柱留设公式优化方法探讨

防隔水煤柱的留设是防治老空水害问题的有效措施之一,为考虑煤柱长期浸水失稳对防隔水煤柱安全留设尺寸的影响,进一步提高防隔水煤柱的安全性,以华北型煤田为研究背景,基于模拟浸泡试验实测数据,分析了煤柱浸水时的强度破坏规律,探究了强度破坏的内在原因及影响因素。结果表明:不同浸泡环境下的煤柱抗压强度均随浸泡时间的延长而降低,并最终趋于稳定;抗拉强度与浸泡时间的关系在不同浸泡条件下呈现不同的变化规律,去离子水溶液浸泡条件下仍呈降低且趋于稳定的变化趋势,在高矿化度矿井水环境下则存在临界值,并在突破临界值后再次呈现降低趋势;影响煤柱稳定性的因素包括煤岩体性质、浸泡时间、浸泡溶液水化学特征等,其中浸泡时间为主要影响因素之一。结合实测数据及上述分析,从更加安全的角度引入了煤柱软化系数以限制经验公式中的抗拉强度,将防隔水煤柱留设公式修正为:L=0.5KM√3P/R_(t)K_(p)。

坚硬顶板高压磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术研究

针对坚硬顶板下临空巷道存在的高应力、大变形、难支护等问题,分析了磨料射流能量分布情况,研究了磨料颗粒及高压水射流的冲击破岩作用。基于“砌体梁”原理,建立不同岩性条件下的岩层周期破断力学模型,研究了巷道侧向切顶条件下上覆岩层断裂情况,采用数值模拟分析切顶前后煤柱应力变化情况,提出了磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术。现场试验结果表明,采用磨料射流切顶后巷道高度变形量减小38.7%,宽度变形量减小45.8%,巷道变形得到有效控制。同时,切顶后每日最大总能量降低85.5%,平均每日总能量降低82.6%。验证了磨料射流侧向切顶对坚硬顶板的弱化效果,为坚硬顶板弱化治理提供了一种新的技术手段。

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。

同层位老空积水区防隔水煤(岩)柱的计算方法

煤矿井下采掘作业生产期间,为了避免老空水在高水压作用下破坏原始煤(岩)层(探水线)稳定性而发生井下透水事故,本文通过对采掘破坏影响以及老空透水机理进行分析,提出了“同一煤层,老空区导水裂缝带范围与开采煤层导水裂缝带范围不连通为基础,并保证足够的挡水岩柱”的防治措施,充分考虑老空积水区水头值高低、煤(岩)层厚度、强度、岩层移动规律、采煤后形成的导水裂缝带等相关因素,确定了合理的计算方法,从而对老空区防隔水煤(岩)柱尺寸进行计算。该方法思路正确,可达到安全警示与矿井保安的目的。

采动水浸作用下煤柱坝体承载特征与失稳规律研究

煤矿地下水库的储水技术已成为我国西部矿区煤炭资源开采与水资源保护协调发展的重要途径之一,而煤柱坝体的稳定性是煤矿地下水库能够安全并长期使用的关键因素。为了探究煤矿地下水库煤柱坝体在复杂条件下失稳特征,基于FLAC3D数值模拟及二次开发,以陕西北部某矿相邻工作面开采及采空区蓄水的水浸作用对煤柱坝体应力演化特征及稳定性的影响展开研究。结果表明:工作面开采完毕后,煤柱坝体应力分布均呈现双峰形,并随煤柱宽度的增加峰值逐渐下降,同时煤柱宽度为20 m时其弹性核区占比小于40%的临界失稳指标,将发生失稳;在采空区蓄水后,水浸作用下煤柱坝体塑性区占比增量呈现“稳定-增大-减小-稳定”的变化规律,能够很好地模拟水浸作用下煤柱坝体的“渗流-弱化-损伤-渗流”的渐进破坏特征;煤柱坝体的应力分布逐渐演化为拱形分布并趋于平均化,应力峰值大幅降低,同时,内部塑性区进一步扩展,弹性核区占比降低,且煤柱宽度的越小降低幅度越大;当煤柱宽度为30 m时,弹性核区占比降低为38.33%,将发生失稳;当煤柱留设宽度为40 m时,煤柱能够保持稳定。

铝土矿高水材料逐巷充填矿柱回收技术及应用

奥家湾铝土矿采用房柱式采矿法,留设大量矿柱支撑顶板,采出率低,矿石损失量大。为安全回收铝土矿柱,理论分析了充填前后矿柱及充填体的应力分布状态,根据铝土矿体赋存特征及开采条件,提出了高水材料逐巷充填矿柱回收技术并开展了现场试验:将铝土矿柱划分多条采巷,开采完毕后采用水灰比为4∶1的高水充填材料与矸石胶结充实接顶,逐巷有序充填回收矿柱。为评估充填体力学性能,进行现场取样并开展实验测试。结果表明:充填体单轴抗压强度为2.84MPa,可有效支撑顶板,弱化矿柱应力集中程度,提高采场稳定性。本技术可安全回收矿柱,将矿石采出率提高至81%,同时能有效控制采后覆岩活动,且充填成本低,技术经济效益显著。

小煤柱沿空掘巷老空水防治技术研究与应用

为了解决特厚煤层沿空掘巷小煤柱工作面防治水难题,对防治水现场工作提供有效的指导,消除掘进过程中的安全隐患,提出构建小煤柱沿空掘巷井上下矿井水文联合监测安全保障体系,对采空区积水的水位标高、积水深度、积水量等信息进行实时监测;针对监测信息编制科学合理的疏放水设计方案,对采空区积水进行安全、高效、快速疏放。方案实施后,掘进所受到的临空水患影响消除,有力地保障了小煤柱巷道的安全掘进。