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。

近冲积层下综放工作面水煤分离技术研究

葛泉矿东井主采煤层为9#煤,东二采区工作面基本为近冲积层布置,第四系底砾含水层作为补给水源,通过裂隙涌入工作面,水量较大,并且二采工作面绝大多为俯采,在回采1295工作面时,采空区最大出水量为100m3/h,此时,水煤全部淤积在运料巷,并且出水点基本在采空区,无法实现堵水和疏水,水流将支架后方的煤和工作面运输机中的煤全部冲走,形成大量水煤,1295运料巷坡底沉淀分离系统分离、外运能力不足,泵窝淤满,24小时就将东二采区水仓淤满,导致排水系统瘫痪,最终停止回采作业,被动进行治水工作。通过源头堵、疏、排水结合后路水煤沉淀、分离系统实现水煤分离外运,使工作面能够安全高效的进行回采作业,还能避免煤炭资源浪费。

强夯在冲积层坝基处理中的应用

阿庆争水库是一个典型的山区小型水库。勘察发现,其河床坝基冲积层承载力低、易发生压缩变形和地震液化。对比换填法和强夯法后,选择了经济环保的强夯法处理坝基。强夯后,冲积层的干密度、承载力、密实度和剪切波速显著提高,孔隙比和渗透系数大幅降低,且不影响下游坝基排水。观测结果显示,大坝施工及封顶至今未见异常沉降变形和排水问题,有效解决了工程地质问题。此强夯处理可为类似工程提供参考。

冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究

冲积层底部含水性严重威胁冲积层下采煤的水害防治安全,在煤层开采前及开采过程中都需要采取相应的防治水措施以杜绝重大水害事故的发生。因此,为保障厚冲积层煤层放顶煤安全、高效开采,文章开展基于并行电法的冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究,通过数值模拟及现场实测得到顶板局部富水所引起的响应特征。结果表明,对水体高度敏感的并行电法能够精准、高效地识别顶板富水状态,基于此可进一步提出相应的水害防治措施,进而为冲积层下采煤工作面防治水工作提供关键指导依据。

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。

深厚冲积层冻结井筒外壁早期开裂机理

为探究深厚冲积层冻结井筒外壁早期开裂机理,以丁集煤矿第二副井为工程背景,开展外壁混凝土早龄期力学特性试验和热-力耦合分析。首先,通过对不同龄期C70外壁混凝土开展立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度试验,获得了强度指标和弹性模量复合指数时变模型和早期力学特性;然后,基于外壁混凝土弹性模量复合指数时变模型,利用FLAC 3D软件建立外壁混凝土热-力耦合分析模型,对外壁混凝土早期温度场和应力场演化特征进行了研究分析。结果表明:外壁混凝土浇筑初期水化升温,其核心区峰值温度达到了55.96℃;随后外壁混凝土开始降温,短时间内井壁外缘温差达到了34.95℃;外壁混凝土在4~28 h升温阶段整体受压,降温阶段,井壁受冻结壁约束,竖向受拉严重,其中井壁外缘拉应力最大,达到了5.08 MPa,当拉应力超过外壁混凝土早龄期抗拉强度时,外壁混凝土将产生环向裂缝,从而揭示了深厚冲积层冻结井筒外壁早期开裂机理。

特厚冲积层下开采覆岩移动及地表变形特征研究

为了研究特厚冲积层地质条件下开采地表移动变形规律的独特性,以赵固二矿某工作面地质条件为原型,采用UDEC数值模拟软件建立了特厚冲积层下开采的模型,模拟了该地质条件下开采引起的冲积层和基岩不同的下沉变化特征,并重点分析了不同厚冲积层厚度与地表移动规律之间的关系。研究表明,特厚冲积层下开采基岩层呈现垮断式下沉,上部冲积层各层位呈现出整体下沉的特征,所形成的下沉盆地范围大,下沉值在边缘处收敛较慢;水平移动变形值和水平移动系数对冲积层厚度变化尤为敏感,当冲积层厚度与采深比h/H由0.51增至0.84时,最大水平移动值增大101.6%,水平移动系数增大60%。分析得出了适合赵固矿区的冲积层厚度与采深比与地表下沉系数和地表水平移动系数所对应的函数关系,研究结果为本矿区合理留设村庄保护煤柱以及科学指导采煤沉陷区治理提供技术支撑。

深厚冲积层立井冻结井筒井帮温度调控及效果分析

针对深厚冲积层地区立井井筒冻结中井帮温度偏低的问题,以某风井井筒冻结为例,根据该井筒所处地层以黏性土为主、地下水流速大等特点,进行了外圈孔为主冻结孔的冻结方案设计。采用井帮温度预测值比对方式,采取了调节盐水温度,提前开、停内圈盐水循环,间歇循环等手段,将冲积层段的井帮温度控制在不低于-12℃,取得了较好的效果。在井筒掘进期间进行的井帮位移监测结果表明,当模板高度不高于4 m、单个循环段高掘砌时间不超过32 h时,单侧井帮位移平均值不大于26.5 mm;当单个循环段高掘砌时间从32 h延长至34 h后,约有22%的井帮单侧位移量超过50 mm。

厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征

采用相似条件采场类比、现场实测和数值分析综合研究方法,研究了厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征,研究表明:厚冲积层薄基岩采场矿压显现与基采比密切相关,随着基采比增大,采场矿压趋于缓和。按基采比大小可将采场划分为"有板有壳"、"有板无壳"和"无板无壳"3种类型。"有板有壳"类型采场,应力壳为采场第1掩体,其下位的断裂带板(梁)结构为第2掩体,采场矿压显现缓和;"有板无壳"类型采场,断裂带板(梁)结构为采场惟一掩体,其上位无"应力壳"承载,板(梁)结构失稳后采场矿压显现剧烈;"无板无壳"类型采场,无板(梁)结构和"应力壳"的掩护,冲积层荷载直接传递在液压支架上,该类采场易发生压架事故。"无板无壳"类型采场的覆岩结构沿竖向划分为两带,即"垮落带"和"弯曲下沉带"。并对形成3种类型采场的力学机理进行分析。

厚冲积层下大采高综放工作面顶板控制机理与实践

龙固煤矿主采煤层上覆基岩厚度平均不足200 m,但基岩上方赋存着厚度平均超过700 m的厚冲积层,针对厚冲积层条件下工作面矿山压力与顶板的控制难题,分析了大采高长壁综放工作面上覆厚冲积层在采动卸荷条件下的承载特性,以及基岩发生台阶下沉的可能性及其对应临界厚度。研究结果表明,厚冲积层在其底部煤层大范围开挖后,自承载能力不强,其自重将以载荷形式作用在下伏基岩上,但当基岩厚度大于120 m时,断裂带岩层可以形成稳定的力学承载结构,确定工作面顶板具有可控性。在此基础上,研发了工作阻力为国内最大的ZF15000/23/43综放支架,对厚冲积层下大采高综放面围岩进行了有效控制。

山东安丘古近纪冲积层中的地震记录

在山东安丘市沂沭断裂带分布区,发现古近纪朱壁店组冲积相沉积中发育一些震积岩层,它们是一套以振动液化砂岩墙、液化砂岩脉、裂隙充填砂砾岩墙、震塌岩、震成小断裂及塌陷构造等为震积特征的震积岩组合。这些古近纪震积岩表明,沂沭断裂带在新生代早期是一个构造活动强烈、强地震频繁发生的时期。由这些震积岩所记录的地震灾变事件,是该地区继燕山构造旋回结束后进入喜马拉雅构造旋回的响应。安丘古近纪朱壁店组震积岩的发现,为研究沂沭断裂带的活动史及区域地层调研提供了新的实际资料。

特厚冲积层竖井井壁冻结压力的实测与分析

为深入研究冻结井外层井壁的外载,在巨野矿区特厚冲积层冻结法凿井过程中,开展了竖井井壁冻结压力的现场实测研究。实测表明:最大冻结压力Pmax普遍接近甚至超过按重液公式计算的永久水平地压P0;Pmax/P0的平均值为1.08。外壁浇筑后15d内,冻结压力增长迅速,超过57%～68%的地层中,7,10,14d冻结压力P(t)分别达到最大值Pmax的72%,77%,81%。分析认为,冻结壁内外部冻胀力的积聚,是冻结压力超过重液水平地压的根本原因。外壁设计荷载(冻结压力)的标准值应按重液水平地压取值;并应采取适当措施,减缓冻胀力积聚,减小冻结压力。此外,应确保外壁混凝土的7,10,14d立方块抗压强度分别达到其设计值的80%,85%,90%,以保证外壁的早期安全。

厚冲积层下厚煤层分层开采提高开采上限的研究

为合理开发煤炭资源,最大限度地提高资源利用率,以鹿洼煤矿首采扩大区为工程背景,运用理论分析和地质勘探等方法,对第四系黏土层厚度和砂层含水性等水文地质条件进行了研究,确定了含水层类型和水体采动等级.在此基础上,预计了"两带"高度,探讨了安全煤岩柱合理尺寸,使开采上限提高了30 m煤柱,解放呆滞煤量73.7万t.

深厚冲积层高强钢筋混凝土井壁力学特性研究

通过实验和理论计算,对在均匀荷载作用下高强钢筋混凝土井壁的力学特性进行分析。实验结果表明:高强钢筋混凝土井壁具有很高的承载力,影响其承载力的主要因素依次为混凝土的强度等级、厚径比和配筋率;在均匀外荷载作用下,混凝土强度提高10MPa,井壁的极限承载力提高4MPa左右,配筋率对井壁的极限承载力影响很小;高强钢筋混凝土井壁结构破裂时,环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲,混凝土破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°,属压剪破坏。理论分析时,采用线性软化本构模型以及符合混凝土强度特性的Mohr-Coulomb强度准则,推导出高强钢筋混凝土井壁极限承载力的理论计算公式,并且其计算结果得到实验验证。

深厚冲积层破损井筒修复过程中的控制冻结技术

为了解决板集煤矿副井破损井筒修复过程中面临的突水问题,针对该井筒实际的破损情况以及所处地层的含水层分布规律,考虑到冻结壁在形成过程中将产生土体冻胀,从而对既有井筒产生较大的冻胀压力,为减少其对既有井筒的破坏作用,提出采用双圈孔控制冻结的方式对破损井筒的周边进行封水处理,即外圈孔采用全深(673 m)冻结,内圈孔只对破损、突水严重的380 m以深的地层进行局部冻结。为了实现对各个层位冻结壁厚度的有效控制以避免冻胀对既有井壁结构安全产生威胁,在冻结初期,根据冻结孔实际成孔情况和各个层位土体的热物理特性参数,以及冻结过程中测温孔实测数据,通过数值计算对各个层位的冻结壁的发展情况进行预测,并基于预测结果对部分冻结孔的冷量进行了控制。为了防止施工热扰动对冻结壁的稳定性造成不利影响,在井筒清理以及套壁施工过程中,根据温度场发展情况及时调整冷量供给。由现场实测数据可知,深度380 m以浅控制冻结地层的整体温度较深度380 m以深地层的温度高5℃左右,在整个修复施工过程中没有出现突水现象且冻结壁温度保持稳定。由此可见,控制冻结技术可有效限制土体冻胀,且冻结壁厚度较为均匀,封水性能较好,达到了预期的施工效果,该项施工技术可为今后类似工程的开展提供重要参考。

特厚冲积层非主断面观测站岩移参数的求取

针对祁东煤矿的特殊地质和开采条件,采用实际观察与计算相结合的方法,研究了该矿特厚冲积层非主断面观察站岩移参数的求取问题,具体方法为:在对观测数据进行初步处理的基础上,利用“非主断面任意方向观测结果的求参程序”对观测结果进行了求参计算,确定了概率积分法的5个岩移预计参数。利用所求参数对原观测线各测点进行下沉和沿x、y向水平移动进行预计,计算结果与实际观测结果相符,并利用等效面积法,求得了主断面的地表岩移角值,对以后煤柱留设、采动影响范围的确定及非主断面观测站设计具有指导意义。

巨厚冲积层薄基岩综放开采覆岩移动规律

巨厚冲积层薄基岩条件下,综放开采工作面经常出现异常来压,给顶板控制提出了较大的挑战。通过数值计算的方法,分析了600m厚冲积层、不同基岩厚度条件下的顶板变形破坏特征,得出基岩厚度小于120m时,覆岩可能出现全厚切落现象;揭示出巨厚冲积层在运动变形过程中具有整体性且难以形成稳定的强承载结构;现场实测出了工作面异常来压规律,证明了巨厚冲积层和薄基岩结构间的关系。该研究成果为类似条件下的综放面安全高效开采提供了借鉴。

深厚冲积层井筒修复内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁研究及应用

针对板集煤矿副井井筒修复的复杂工程条件,提出采用内套内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁结构。首先,对该种新型井壁结构力学特性进行了模型试验研究,结果表明:在井壁结构中高强钢纤维混凝土的极限压应变可达(-3 710^-3 750)με,显著提高了井壁结构的延性特征;由于内层钢板的约束作用,井壁内缘钢纤维混凝土也处于三向受压状态,钢纤维混凝土抗压强度提高了1.822~1.974倍,从而显著提高了该种复合井壁的承载能力;在板集煤矿副井井筒修复工程中首次应用了内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁,并通过现场实测结果表明,2个监测水平钢纤维混凝土应变分别为-290με和-359με,远小于试验实测的极限压应变值,说明目前该种新型井壁结构混凝土变形小,井壁结构安全可靠。

薄冲积层下开采地表动态移动规律与特征

位于采煤影响区的高压线、输气输油管道、河道等设施对地表动态移动极为敏感。以甘肃某煤矿在金沙河下开采为背景,通过现场地表移动监测,获得薄冲积层条件下综放开采地表动态移动变形规律。研究表明:薄冲积层下综放开采地表具有下沉移动起始期很短、活跃期较长等特点。地表移动活跃期位于工作面前方110 m至工作面后方400 m范围内,历时185 d,期间地表点下沉量可达到该点总下沉量的90.7%;地表移动剧烈期在工作面后方50 m至150 m范围内,但剧烈扰动时间相对较短,历时约60 d。基于测点下沉曲线为S型分布、下沉速度曲线类似为正态分布特点,建立了考虑开采时间和工作面推进速度因素的地表下沉及下沉速度动态模型,并追踪刻画出地表测点往复式下沉与水平运动的轨迹。薄冲积层下开采,地表裂缝更易平行于工作面走向方向发育,并且随工作面的推进,地表裂缝具有前移和密集区向工作面外侧小范围扩大的时空特征。

深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场发展研究

冻结壁温度场发展是人工冻结法施工在井筒建设过程中最重要的组成部分,对井筒开挖和安全施工有重要的影响。因在地下进行大面积、长时间冻结,土体会发生复杂变化,无法进行相似模拟实验,数值模拟软件成为最直接的辅助工具。本文通过合理的多圈孔布孔方式,考虑钻孔偏斜、冻结过程中水的相变潜热、不同温度下导热系数及热容等影响因素,结合实测数据,运用数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立多物理场耦合对温度场发展进行研究。以某矿西风井深厚冲积层为研究对象,针对91 d冻结壁温度场发展进行模拟。模拟交圈时间为44 d,冻结壁平均发展速度为25.36 mm/d,与实测交圈时间50 d、冻结壁平均发展速度22.72 mm/d相比有微小的误差,模拟结果与实际情况符合程度良好,并推论出以最外圈为主冻结孔对冻结壁发展速度的影响及利弊。综合前人模拟结果,此模拟方法更具有理论意义及工程指导价值。