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。

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。

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。

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。

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。

厚松散层薄基岩条件下巷道顶板离层控制技术研究

【目的】以中煤新集集团刘庄煤矿某工作面为工程背景,研究厚松散层薄基岩煤层开采时巷道顶板离层控制技术。【方法】通过安装在巷道顶板的离层仪监测发现,巷道顶板发生离层,主要发生在7#(296 m)和8#(332 m)顶板离层仪位置,且7#位置在深层和浅层均有下沉,但8#位置只有深层下沉,且下沉量较大,说明顶板整体在深层位置下沉。【结果】第一次治理措施采用全断面喷浆和设置点柱,但治理效果不理想,顶板下沉没有得到有效控制。第二次治理措施采用长锚索注浆加固,治理后离层量明显放缓,顶板离层得到控制,治理效果明显。【结论】采用长锚索注浆加固可有效控制顶板离层,研究结果为厚松散层薄基岩条件下巷道顶板离层控制施工提供指导与借鉴。

高阳煤矿薄基岩强扰动开采条件下的覆岩变形特征

为探究薄基岩强扰动开采条件下的覆岩变形与破坏特征,以高阳煤矿31120综放工作面为例,运用数值模拟、现场实测的方法对工作面开采过程中的覆岩运移与破坏规律进行分析。结果表明:覆岩破坏带的发育高度为83.0 m,发育过程可分为缓增阶段、突增阶段与稳定阶段,其中突增阶段是导致矿压显现异常的主要阶段。根据钻孔漏失液观测实验与松散层注水实验结果,判定裂采比在7.9~8.1,得出薄基岩强扰动条件下的覆岩“两带”破坏模式。

深埋薄基岩层不同采高下工作面矿压显现及片帮防治技术

针对赵固二矿煤层埋深大、基岩薄、松散层厚以及顶板条件差等问题,以赵固二矿11050工作面为工程背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,研究了11050工作面在不同回采高度条件下,工作面的支承压力分布特征以及塑性区演化规律等。研究结果表明,不同采高条件下,煤壁前方均会产生应力集中,随着采高的增大,应力峰值点逐渐向煤壁深处转移,影响范围也随之逐渐增大;随着采高的增加,采煤工作面直接顶、基本顶塑性区范围逐渐增大。现场实测表明,增加开采高度,会导致煤壁片帮深度的增加,并提出了一系列防治煤壁片帮的措施。研究可为赵固二矿安全高效开采提供指导。

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。

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。

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。

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。

浅埋厚松散层薄基岩综采工作面开采覆岩切落体结构分析及应用

浅埋厚松散层薄基岩综采工作面开采覆岩破断失稳诱发的强压显现问题日益凸显,已对矿井安全及高效生产带来严重威胁。为此,以神东矿区22614工作面为工程背景,采用现场监测、相似试验与力学建模相结合的研究方法,分析其强矿压显现特征,揭示采动覆岩破断失稳诱因,构建覆岩破断结构力学模型,核定工作面液压支架工作阻力,并开展现场实例应用。结果表明:现场监测的工作面开采顶板平均破断步距为11.2 m,液压支架平均工作阻力为8450.1 kN,最大工作阻力为11857 kN;相似试验中,工作面开采老顶呈短悬臂岩梁剪切破断,断裂面贯通地表,覆岩滞后煤壁整体切落,平均垮落步距为12.5 m;通过建立浅埋厚松散层薄基岩综采工作面覆岩切落体结构平面力学模型,提出了覆岩切落体结构失稳判据,指明不稳定系数与覆岩切落角和液压支架承载力间的正相关关系;并给定了工作面液压支架工作阻力计算公式,算出了液压支架平均承载力为8364.22kN,与现场监测结果具有较好的一致性。该结果可为我国浅埋厚松散层薄基岩综采工作面支架选型和顶板控制提供重要的理论依据。

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。

浅埋深薄基岩巷道锚注加固技术研究

针对红柳林煤矿浅埋深薄基岩巷道顶板锚固力低的难题,分析了风化基岩分布特征以及矿物成分,开展了薄基岩注浆加固试验,分析了薄基岩巷道注浆加固机理,提出了巷道锚注加固技术方案,并开展了井下工程实践,分析了工程应用效果。结果表明:风化薄基岩黏土矿物成分含量高,增大了顶板岩体软化和膨胀变形,影响巷道围岩稳定性;井下注浆充填了风化基岩裂隙,封堵了顶板水渗流通道,提高了顶板完整性,增大了薄基岩层的抵抗破坏的能力;通过锚索注浆达到了较好的注浆固结效果,锚杆(索)初期受力缓慢增大,随后基本保持稳定,锚杆受力55~67 kN,锚索受力92 kN左右,顶板离层量3 mm左右,巷道围岩变形明显减小,达到了较好的巷道支护效果,表明锚注加固技术可有效解决浅埋深薄基岩巷道变形控制难题。

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。

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。