富水沟谷区浅埋煤层导水裂隙演化特征

富水沟谷区域下浅埋煤层赋存条件特殊,采场上覆岩层导水裂隙发育演化特征复杂。为了揭示沟谷区浅埋煤层在回采扰动作用下覆岩裂隙演化规律,以朱家峁煤矿1305-2工作面过沟谷区回采阶段为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟与现场效果验证的方法,建立了覆岩裂隙−渗流场概念模型,开展了覆岩结构发育与微震能量演化研究,分析了覆岩变形与塑性破坏分布特征,提出了针对沟谷区下浅埋煤层导水裂隙防治措施,并应用于现场工程实践。结果表明:开采扰动下裂隙−渗流场模型呈“梯台”结构,并依次划分为初渗区域、稳渗区域、紊渗区域3个区域;将所研究矿井的工况数据代入模型结构,计算出各个渗透区域范围,并根据计算结果对矿井的稳渗区域采取注浆措施。工作面回采至沟谷区段,覆岩裂隙域形态呈现“拱形-梯形-复合梯形”的扩展演化特征,裂隙纵向发育高度达到163 m,并与沟谷区地表贯通。随工作面推进,地表裂隙依次经历“滑移-挤压-撕裂”过程;沟谷区域位移云图呈现出滞后开采“高位梯形”破断形态,在沟底处下沉位移最大,达3.47 m。针对开采导致的裂隙大范围扩展贯通,提出在地面进行采动裂缝注浆处理,在工作面上覆岩层进行注浆封堵,实现过沟谷区开采“井上−井下”联合防治,保证安全开采。该研究结果可为浅埋煤层的过沟谷区开采、采动裂隙防治及富水区“保水采煤”提供新的科学依据。

浅埋煤层开采覆岩“梯形”破断参数与裂隙演化分析

目的为了探究浅埋煤层开采覆岩“梯形”破断参数与裂隙演化规律间的关联机制,并量化表征覆岩垮落、裂隙分布特征,方法以崖窑峁煤矿为研究对象,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟、现场实测相结合的方法,分析覆岩垮落空间分布形态,并量化表征上覆岩层垮落“梯形”的分布参数。结果结果表明:上覆岩层受煤层开采扰动影响,沿两侧破断线整体呈“梯形”形态,由于破断角φ,γ不同,故覆岩采动裂隙在空间上呈非对称“斜四边形”裂隙发育体的展布形态,结论基于理论计算得出崖窑峁矿业30204工作面覆岩垮落分布形态,覆岩垮落两侧破断角开切巷处破断角φ∈[58.7°,68.7°],采煤机机头处破断角γ∈[60.8°,67.8°],并根据破断角公式进一步计算,得出开切巷处覆岩垮落长度Lφj=11.5 m;采煤机机头处覆岩垮落长度Lγj=10.4 m。依据现场30204工作面3-1煤层顶板垮落实际监测数据,得出上覆岩层垮落的最佳高度为11~30 m,裂隙发育最佳宽度在距离工作面开切巷5 m和采煤机机头5 m范围内。

浅埋煤层房采破坏区充填复采技术研究与应用

针对浅埋煤层前期开采遗留的大量房采破坏区严重影响现阶段工作面正常开采的问题,以五家沟煤矿5-1号煤层15301工作面的赋存情况和开采条件为研究背景,采用煤矿探巷机器人和机载三维激光扫描系统,探查出靠近15301辅运巷道三个房采区的情况,对房采破坏区失稳机理进行研究,确定了破坏区支护强度,通过对充填材料不同配比实验,同时结合填充效果的探查结果,提出了安全快速通过充填区技术。研究与实践表明:当破坏区支护强度P_(k)≥2.1 MPa时,可避免房采破坏区失稳;确定了满足五家沟煤矿充填的主体材料为充填料Ⅰ,其中,水泥、粉煤灰掺入比例为3∶7,水灰比为1∶(0.8~1.2);对房采区进行充填后,利用安全快速通过充填区技术,顺利完成了15301工作面房采破坏区充填复采,取得了良好的技术与经济效益,为类似条件下的浅埋煤层开采提供技术借鉴。

浅埋煤层采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征

为探究浅埋煤层综放采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征,利用UDEC软件对甘肃环县甜水堡矿区采煤过程中地裂缝的发育情况、应力变化情况进行数值模拟。研究表明:随着工作面的不断推进,地裂缝由下而上发育并且越发密集,采空区范围大到一定程度时,中部岩层被压实,临时性裂缝呈自闭合特征,永久性裂隙存在于采空区两侧。上覆岩层的下沉位移区域随工作面推进距离增大而增大,呈现出采空区两侧下降距离最少,越靠近采空区中部对称轴中心下降距离越深的趋势。采空区上覆岩层应力变化依次为应力集中、损伤变形、断裂坍塌到应力释放的过程。

浅埋煤层留小煤柱沿空掘巷技术研究与应用

在凤红煤业151302工作面采用沿空掘巷工艺技术,通过理论计算并结合数值模拟,综合分析确定了小煤柱的合理尺寸为5.0 m,同时优化了小煤柱巷道支护参数方案。工程应用结果表明:采用留小煤柱沿空掘巷技术,锚杆索受力远低于破断载荷;巷道顶板下沉位移在200 mm之内,回采帮内位移位小于200 mm,煤柱帮内位移在150 mm之内,巷道围岩和小煤柱皆处于稳定结构状况,整体围岩控制效果良好。

沟壑地区浅埋煤层采空区煤自燃危险区域研究

沟壑地区浅埋煤层上覆岩层厚度不均匀,采动影响造成地表开裂形成台阶式下沉趋势,造成地表裂隙漏风,长时间漏风供氧致采空区遗煤自燃氧化条件良好,威胁矿井安全生产。以典型的某矿沟壑地貌浅埋煤层中11B602工作面为研究对象,现场观测地表裂缝发育几何形貌及大尺度漏风裂缝分布特征,并采用数值模拟研究采空区漏风规律,划分煤自燃危险区域。研究表明:工作面对应地表存在拉伸型和开裂型等裂缝,且风流由地表漏向采空区;受地表漏风影响,采空区内整体O_(2)浓度升高,两巷位置O_(2)浓度大于8%,采空区内由地表向两道漏风引起的煤自燃危险区域为进风侧100~151 m、回风侧14~85 m。通过采取井上下综合防治的措施,有效控制了地表漏风和采空区遗煤自燃,保障了工作面的安全生产。

安山煤矿浅埋煤层覆岩导水裂隙带发育高度实测研究

为了研究庙哈孤矿区浅埋煤层开采导水覆岩裂隙带发育规律,以安山煤矿133103工作面为研究背景,采用理论分析与现场实测相结合的手段对3-1煤层开采后覆岩裂隙发育规律进行研究。结果表明,133103工作面垮落带高度10.69~15.88 m,垮采比为4.86~5.73,导水裂隙带发育范围52.33~62.52 m,裂采比为23.8~28.4。研究成果为庙哈孤矿区类似条件下工作面开采顶板水灾害防治提供参考。

龙华煤矿浅埋煤层区段煤柱合理宽度研究

为减少煤炭资源浪费,保障工作面开采期间巷道的稳定性,本文采用现场监测、数值模拟和理论分析相结合的研究手段,对龙华煤矿30203工作面区段煤柱的合理留设宽度进行研究。结果表明:30203工作面区段煤柱塑性区宽度为1.8 m,运输顺槽超前支承压力影响范围为25 m;辅运顺槽侧超前支承压力影响范围为20 m,随着工作面的推进,回采巷道顶底板移近量为50 mm,两帮位移量为5 mm。理论计算得出区段煤柱合理宽度为14.86~15.26 m;采用数值模拟验证了优化后的15 m宽区段煤柱能够满足工作面安全生产的要求,区段煤柱能够保持良好的稳定性,研究成果为类似条件矿井安全生产提供借鉴。

浅埋煤层地表隐蔽致灾因素普查技术

浅埋煤层地表各类隐蔽致灾因素制约着煤矿的安全、高效、绿色开采,如何快速、高效查明地表隐蔽致灾因素类型、种属性,并结合矿井生产分析其所处的状态及其致灾危险性,是需要首先解决的问题。以陕北侏罗纪煤田浅埋煤层新民矿区青龙寺煤矿为研究对象,通过卫星遥感、低空无人机、地面地质调查、地质测量、采样测试、综合分析等技术,快速查明地表隐蔽致灾因素时空分布,结合井下涌水量观测、导水裂缝带高度多手段探查、矿压大数据分析、采空区气体监测及分析、数值模拟、相似材料模拟等技术,综合研究地表隐蔽致灾因素与矿井水害、顶板、火灾等关系。结果表明,井田内地表隐蔽致灾因素种类有过深沟开采、薄基岩—风化基岩、地表露天采坑及其积水、露天采坑回填、煤层露头自然发火等,上述隐蔽致灾因素可诱发井下工作面冒顶、工作面过沟开采顶板切落—动载矿压显现、工作面过露天采坑积水及其回填区的溃水溃沙、露头隐蔽高温区的有毒有害气体涌入等矿井灾害。研究成果可以为煤矿各类隐蔽致灾因素调查、分析提供参考,为浅埋煤层地表隐蔽致灾因素精准治理与灾害防治提供依据。

浅埋煤层双回撤通道保护煤柱合理宽度确定

保护煤柱的宽度对于回撤通道的围岩稳定和提升工作面搬家倒面的效率具有重要意义。为合理确定浅埋煤层双回撤通道的煤柱宽度,以凉水井煤矿42206工作面预掘双回撤通道为工程背景,通过理论分析和数值模拟,研究分析了回撤通道变形机理、工作面煤柱的超前影响范围,最终确定通道间合理煤柱尺寸。结果表明,理论计算得出回撤通道保护煤柱宽度为15.8 m,数值模拟得出回撤通道保护煤柱宽度在14 m与在20 m处的应力差值仅为0.11 MPa,且大于14 m时稳定,而与20 m相比顶板下沉量差值仅为1 cm。综合考虑,最终确定将煤柱尺寸优化为15 m。

沙坪煤业浅埋煤层上覆小窑采空区灾害治理研究

沙坪煤业一盘区煤层埋藏浅,地表裂隙发育,矿区附近曾存在多个小窑,威胁工作面安全生产。为有效解决13102工作面上覆小窑采空区遗煤氧化及老窑采空区气体下泄隐患,根据地质资料,结合井上、下钻孔检测,将隐患范围圈定至工作面切眼200 m范围内及距切眼700~1000 m范围上覆小窑采空区。在回采前,地面钻孔采用注黄泥浆、注液氮的治理方法,对采空区进行降温处理;在开采过程中,异常区域采用应急均压系统防止矿界外小窑采空区气体下泄至工作面。结果表明,同位素测氡法结合井上、下钻孔探测的方法,可以较准确地圈定异常区域位置;开采前灌注黄泥浆、开采时注液氮的综合治理方式,有效降低了采空区内温度及一氧化碳浓度,消除了上覆采空区自然发火隐患。

浅埋煤层巷道围岩帮部变形机理及控制技术

陕北矿业有限公司韩家湾煤矿井下浅埋煤层214201工作面皮带顺槽在开采过程中,采用“110工法”进行沿空留巷,巷道帮部围岩变形严重,已影响了工作面的安全高效生产。本文通过分析214201工作面皮带顺槽帮部围岩变形原因,采用钻孔窥视、数值模拟等手段,分析回采巷道围岩变形机理。研究结果表明,工作面推采过程中应力影响区内帮部1.25 m内裂隙发育,顶板锚索初锚力不合格率高、施工工艺差,导致顶板压力传递至帮部使帮部岩体拉伸破坏。通过加强帮部支护强度,优化锚网索支护参数,提高锚杆(索)施工质量等手段,从而控制巷道帮部变形。该技术能保证回采巷道在巷道服务期内不返修,为工作面的安全高效回采提供了必要的基础条件,具有一定的经济与社会效益。

浅埋煤层采空区遗煤自燃发火防治技术

本文以5-20105综采工作面采空区遗煤自燃发火防治为工程背景,针对回采煤层自燃发火周期短(45d)、煤层埋深浅、邻近小煤窑越界开采等问题,提出以减少漏风、强化监测以及破坏遗煤自燃发火条件为核心的防灭火技术,并探讨工程应用。

红树梁煤矿浅埋煤层防灭火技术探索与应用

矿井火灾是煤炭开采过程中的主要灾害之一,会对煤矿的安全生产构成严重威胁。为保障红树梁煤矿开采工作的顺利进行,基于矿区自身的煤层性质及赋存条件,对浅埋深煤层自然发火的防治技术展开探索。在分析注氮、喷洒阻化剂、采后灌浆、均压等防灭火措施的基础上,配合日常火情预测预报系统以及合理的采煤工艺和通风系统,提出了适合该矿区的经济高效的综合防灭火技术。实践表明,该技术可以有效确保工作面安全顺利回采,提升矿井的安全生产水平,具有一定的应用价值。

沟谷区浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律相似模拟研究

浅埋煤层群开采时,上覆岩层常出现采动裂隙,影响工作面安全生产。因此,探寻浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律具有重要意义。本文利用物理相似模拟实验等方法,得到沟谷区浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律。研究表明:沟壑区浅埋煤层下坡段开采区域覆岩采动裂隙数量少于上坡段开采区域,但下坡段开采时产生的裂隙宽度较大。沟壑区浅埋厚煤层开采覆岩裂隙发育和分布特征与覆岩活动具有高度联动性,重复采动条件下,覆岩采动裂隙发生活化发展,裂隙发育数量及发育尺度明显增大。

浅埋煤层群裂隙演化规律及组合承载结构载荷研究

浅埋煤层群高强度开采导致承载岩层破断形成组合承载结构,使覆岩裂隙分布形态复杂化,并对地表造成严重损害。为了研究浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律与承载岩层承载结构关系及承载岩层保持稳定的支架工作阻力,以陕西北部神府矿区韩家湾煤矿2-2和3-1煤开采为研究背景,通过现场观测及相似模拟试验得到煤层群开采裂隙演化规律、承载岩层组合承载结构及两者相互关系,采用理论计算的方法建立了组合承载结构力学模型,研究组合承载岩层保持稳定的支架工作阻力。研究表明,煤层群开采覆岩裂隙演化过程可划分为4个阶段,分别为上煤层开采快速增长阶段、上煤层开采平稳增长阶段、下煤层开采快速增长阶段、下煤层开采稳定增长阶段;不同承载结构导致地表产生不同的裂隙演化形态及沉降特征,“台阶岩梁”结构地表产生台阶下沉,“铰接岩梁”结构地表产生连续下沉;通过地表沉降形式可间接判断上煤层承载岩层破断结构,由层间岩层充填率和采高得到了下煤层承载岩层破断结构,并揭示了浅埋煤层群开采承载岩层破断组合结构分为“台阶-铰接”结构、“铰接-铰接”结构、“铰接-台阶”结构、“台阶-台阶”结构的组合形态。由承载岩层破断组合结构建立了浅埋煤层群开采承载岩层承载结构力学模型,得到了承载岩层保持稳定支架工作阻力的计算方法,并得到了现场实测结果验证。

浅埋煤层快速掘进巷帮蠕变效应及滞后支护

为确定榆神府矿区浅埋煤层煤巷掘进两帮合理滞后支护时间,提高掘进速度,避免采掘接续紧张,以张家峁煤矿14213胶带运输巷为研究对象,采用巷道围岩松动圈理论分析巷道围岩稳定性,确定两帮滞后支护的可行性;根据围岩蠕变规律,确定合理的巷道滞后支护时机和煤巷围岩蠕变采用的流变模型;采用FLAC3D软件和Cvisc流变模型模拟14213胶带运输巷掘进过程中不同滞后支护时间的两帮蠕变规律,确定合理的两帮滞后支护时间。结果表明:14213胶带运输巷开挖28 d以内,顶板及时支护条件下,两帮移近量较小;掘进29 d后两帮出现加速蠕变现象,两帮移近速率最大达到36 mm/d,为稳定蠕变阶段均值的18倍,塑性区最大发育深度达到1.3 m,两帮稳定性明显下降。巷道掘进28 d两帮进行滞后支护后,两帮未出现加速蠕变,塑性区发育深度0.5 m,比两帮不支护减小61.5%,巷道两帮稳定。研究结果在矿区成功应用,为煤巷掘进滞后支护提供科学依据。

多层浅埋煤层开采触发岩溶坡体动力崩滑机制研究

因内外动力地质作用活跃和人类工程活动频繁致使我国西南岩溶山区坡体灾害频发,进行该类灾害防控的相关研究必要而迫切。采用原位地质详查、全域块体离散元数值模拟和工程地质力学理论分析,选择贵州纳雍张家湾普洒滑坡为研究对象,系统提出了该类“井工开采诱发型”滑坡的致灾特征、主控触发因素和动力成灾机制。结果表明:(1)该滑坡动力崩滑的影响因素包括高陡坡体微地貌、“上硬下软”岩性组合、斜坡岩体结构和物理化学风化等主导因素和多层浅埋采空区、强降雨和采掘爆破振动等触发因素,其中前者的存在或长期作用较为明显地降低了原始坡体的稳定性,而后者的存在或短期作用急剧地劣化了坡体地质条件并最终触发了坡体的“临界崩滑”;(2)该滑坡在采空区和强降雨作用下形成的“渐进变形”具有明显的“整体下座”和“顺时针旋转”特征,其中“整体下座”为“井工开采诱发型”滑坡的典型特征,其为受区内井工开采引起的地表开采沉陷所致;(3)邻近坡体的采掘爆破振动最终触发该滑坡形成“临界崩滑”后,其后续动力响应可细化为“解体破碎→铲刮滑床→碎屑流动→堆积稳定”4个阶段。最后,基于分析驱动该滑坡各阶段动力响应的力学作用类型及其效应,即:坡体岩溶裂隙渗透压力、竖向和水平爆破振动应力、坡脚处剪切应力、采空区边界卸荷应力和采空区中冒落岩块压实过程产生的侧向膨胀应力等及其岩体破裂效应,系统提出了考虑其崩滑全程力学模式演变的动力崩滑机制。

浅埋煤层群上下层位土层与基岩层协同隔水稳定性研究

浅埋煤层顶板突水是由于导水裂隙带贯穿隔水层而引起的,随着煤层群的下行开采,土层与基岩层的协同隔水机理亟待明确。为了分析隔水土层在煤层群下行开采工程背景下的破坏机理,以便准确预测煤矿顶板突水问题,以陕北神府矿区韩家湾煤矿2−2、3−1和4−2煤下行开采为研究背景,通过原位钻孔取心试验得出不同埋深的隔水土层性质的差异;通过建立上层位隔水土层渗透扩展力学模型来描述裂隙发育形态;采用土−岩复合隔水层力学模型,在“给定变形”条件下计算下层位隔水土层处于整体稳定状态时的力学判据。研究表明,隔水土层根据其性质不同可以分为上层位隔水土层和下层位隔水土层;通过比较总载荷与上层位隔水土层抗拉强度的大小,当总载荷小于等于上层位隔水土层抗拉强度时裂隙不再向下发育从而得出裂隙发育长度;在“给定变形”条件下,当下层位隔水土层长边中部位置处产生的拉应力小于或等于拉伸强度阈值时,下层位隔水土层整体结构处于稳定状态,不会产生拉伸破坏;根据韩家湾煤矿地质情况进行数值模拟,模拟结果与理论分析结果相吻合。研究可为相似地质条件下顶板突水预测提供参考。

浅埋煤层大巷保安煤柱尺寸优化研究

以赵家梁煤矿3-1煤层大巷保安煤柱为研究背景,通过数值模拟和理论计算的研究方法,对浅埋煤层大巷保安煤柱尺寸优化进行研究。结果表明:随着大巷煤柱宽度的减小,1^(#)、2^(#)大巷保安煤柱两侧塑性区宽度均呈现增大趋势。当1^(#)大巷煤柱宽度为32 m,2^(#)大巷煤柱宽度为30 m时,弹性核区消失,塑性区贯通且中部垂直应力变化幅度明显加快。因此,1^(#)大巷煤柱宽度应不小于32 m,2^(#)大巷煤柱宽度应不小于30 m。理论计算与数值模拟结果基本相符。