煤层浅埋区域铁路隧道瓦斯探测分析

以太岳山隧道勘察项目为依托,针对煤层浅埋区域铁路隧道的地质条件,利用红外气体分析仪对其瓦斯含量进行探测分析,分析了岩层特性和瓦斯含量及主要成分的对应关系,解释了含气量随钻孔深度不断变化的规律,分析了可能存在的误差影响因素。

西曲井田煤层浅埋区含隔水层特征及水害分区

浅埋煤层的防治水问题一直是西山矿区安全生产的重点难点。以西山矿区西曲矿为例,综合考虑矿区现主采8#煤浅埋区的采深、采厚、覆岩岩性、基岩风化带、黏性土隔水层分布及地形地貌等因素,将该上覆含隔水层岩性组合类型划分为薄基岩型组合、砂基型组合、砂土基型组合。通过GIS的多源信息复合叠加功能,将预测8#煤浅埋区域导高与盖山厚度、基岩厚度结合,将满足地表水或潜水冒裂安全时的理论地表高程与DEM原始高程差值为0的点连接,得到浅埋区实际水害分区。并结合浅埋区不同的含隔水层岩性组合类型,将其划分为地表补给危险区、潜水冒裂危险区及潜水冒裂安全区。结果表明:GIS复合叠加得到的防治水分区中地表补给危险区和潜水冒裂危险区内煤层的开采可能导致潜水,甚至地表水的直接灌入,并在矿井实际生产中得到验证,是浅埋区煤层防治水的重点区域,必须高度重视并采取相应的措施,加强地表水文监测。

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。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

神东矿区浅埋煤层开采地表裂隙分布及动态演化特征研究

神东矿区浅埋煤层群开采导致地表裂隙发育良好,立体漏风复杂。为研究神东矿区地表裂隙分布特征及动态演化规律,以大柳塔煤矿活鸡兔井和补连塔煤矿浅埋藏开采为工程背景,采用现场无人机定点观测、红外、地质雷达等技术相结合的方法,研究地表宏观裂隙、隐蔽裂隙分布特征,并对裂隙动态演化规律进行分析。结果表明:神东矿区浅埋煤层开采工作面采空区对地表走向裂隙的影响相比于倾向裂隙较大,其中活鸡兔井12下206工作面101条裂隙有效影响范围35 m,补连塔煤矿22310工作面122条裂隙为62 m,走向裂隙最大裂隙宽度达到80 cm,倾向裂隙普遍在10 cm以下;随工作面的推进,裂隙宽度逐渐变大,直至发育完全,裂缝位置不连续断面间距变大,落差增大;宽度较大的裂隙(裂隙宽度大于10 cm),如果距离工作面较近,随着工作面的推进,裂隙宽度会逐渐缩小,甚至可能闭合。

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。

河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙-涌水量时空演化的FDEM-CFD耦合分析

河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙分布与涌水量是工作面安全生产的决定性因素之一。数值模拟是二者重要预测方法,其合理性的关键在于建立岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的模拟方法。以路家村矿15404工作面为研究背景,构建拉/剪应力下非贯通裂隙开裂、贯通裂隙的法向与切向本构关系,并基于二相流质量守恒、动量守恒与状态方程,结合增强的浸没边界算法识别流-固界面,通过流体体积法实现裂隙内流体自由面的追踪和重构。在此基础上形成FDEM-CFD河下采煤覆岩裂隙与涌水量预测数值模型耦合程序,通过相邻工作面地面钻孔冲洗液消耗量观测法验证导水裂隙带发育高度,以及采用大井法理论对涌水量结果进行对比。结果表明:采动岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的FDEM-CFD程序,可数值实现河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙形成,以及裂隙内流体运移过程。当工作面推进至80~120 m时覆岩内形成贯通地表的导水裂隙。招山河水的主要下泄路径为工作面后方8~20 m位置处的导水裂隙,其斜向采空区、倾角65°~72°。模拟所得采空区涌水量为18.78 m^(3)/h,与大井法计算结果接近。上述成果在路家村矿区得到初步应用,为进一步开展河下浅埋厚煤层防治水工程提供理论支撑。

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。

浅埋近煤层群采动“三区”漏风裂隙场时空演化规律数值模拟

浅埋近煤层群采动下,地面采空区工作面“三区”之间易形成连通的漏气通道引发工作面低氧和采空区煤自燃,如何厘清采动效应下浅埋煤层群“三区”漏气通道的时空分布演化规律是有效防控煤自燃和低氧的关键。以陕煤柠条塔煤矿S1232工作面为研究背景,采用理论与数值模拟相结合的方法,研究了单一煤层、复合煤层重复开采下覆岩破坏特征,分析了煤层间距与采厚对裂隙二次发育的影响规律。结果表明:浅埋近煤层群开采下上覆岩层裂隙仅存在垮落带与裂缝带,主关键层破断后裂缝带快速发育至地表,关键层周期破断控制地表裂隙周期生成与下沉;上煤层裂隙密度发育由原始阶段先后经历快速增长、稳定和二次增长3个阶段;随采厚增大,各区间裂隙密度增大,大裂隙发育更充分,裂隙宽度整体增大;随煤层间距增大,小于0.2 m的裂隙宽度随采厚增大,且增加的速度逐渐加快,大于0.2 m的裂隙宽度随采厚增大,但增加速度逐渐变缓;采厚相同时,裂隙宽度大于0.2 m的裂隙密度随着煤层间距的增大逐渐减小。

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。

浅埋近距离煤层过斜交区段煤柱开采矿压规律研究

为了探究浅埋近距离煤层工作面开采过不同斜交角度煤柱的矿压规律,保障工作面安全高效回采,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,分析了11°、30°、45°、60°和75°斜交角度的采动应力演化特征,揭示了工作面过不同斜交角度煤柱的应力变化规律。结果表明:根据过11°斜交煤柱矿压规律实测,工作面来压位置随煤壁与斜交煤柱叠加区而移动,在工作面中部压力最大,机尾次之,机头最小;工作面机尾过煤柱时应力集中最明显;中部过斜交煤柱时,随着斜交角的增大,超前煤壁峰值应力自30°以内为中部宽缓单峰,45°~75°为中部斜交区和机尾双峰,且机尾峰值较大;机尾最大超前应力峰值随斜交角的减小而增大,峰值越靠近机尾;斜交角超过45°时工作面中部出现应力峰值,表现为双峰,该研究可为类似工作面过斜交煤柱开采提供借鉴意义。

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。

浅埋极薄煤层无煤柱开采覆岩运移与地表损伤特征研究

为了探究浅埋极薄煤层切顶卸压无煤柱开采与常规留煤柱开采覆岩运移与地表损伤区别,以子长矿区浅埋极薄煤层为背景,基于关键层理论,得到了硬岩破断距及覆岩的垮落高度临界值的计算公式,结合3DEC数值模拟及现场试验,对比分析了无煤柱开采与留煤柱开采条件下浅埋极薄煤层覆岩运移破断及地表损伤特征,确定了极薄煤层覆岩两带高度。结果表明:当工作面回采达到60 m时,两带发育高度基本稳定,当大于60 m时,工作面后方覆岩裂隙由开裂逐渐闭合,裂隙区随工作面回采向前方移动,两带高度稳定在24.6~27.7 m;相较于常规留煤柱开采,切顶留巷无煤柱开采方式下覆岩呈连续移动变形,可有效修复煤层开采工作面两侧非连续移动变形导致的覆岩裂隙及地表损伤裂缝,消除了常规留煤柱开采方式下相邻工作面间区段煤柱两侧覆岩裂隙,现场观测较好地验证了该结果。

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。

浅埋厚煤层高强度开采强矿压分布特征与控制对策

浅埋厚煤层高强度开采时,回采工作面矿压显现强烈,对煤矿安全生产造成较大影响。以五家沟煤矿5302综放工作面为工程背景,理论分析了浅埋厚煤层顶板及上覆岩层破断失稳机理,利用数值软件对工作面上方覆岩断裂特征和工作面的超前应力分布规律进行模拟分析,得出浅埋坚硬顶板综放工作面强矿压显现规律,并提出了水力压裂来破碎顶板以减低超前压力的控制对策。研究结果表明,浅埋厚煤层综放开采时,煤层覆岩中的关键层对整个工作面上覆岩层的垮落、断裂和移动起主要控制作用,与普通工作面相比,回采时工作面上覆岩层运移更加强烈,导致工作面矿压显现强烈且两带发育高度偏高,分段水力压裂通过破碎顶板能够使得顶板垮落更加充分,能够有效减低工作面超前压力,采空区垮落充填程度更高,采动影响稳定速度更快。

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。

浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育规律与影响因素

通过统计浅埋近距离煤层开采实例,研究顶部单一煤层及下煤层重复采动的覆岩裂隙发育规律及其影响因素。单一煤层开采裂采比为8.61~32.50,主要在15.00~30.00之间,覆岩裂隙发育高度与煤层采高呈正相关。下煤层重复采动,间隔岩层完全破断后,上覆岩层裂隙活化发育更为剧烈,裂采比与单一煤层开采相比减小,覆岩裂隙发育高度受埋深影响不明显,主要随2煤层综合采厚的增大而增大。此外,随煤层间距增加,覆岩裂隙发育高度呈降速增大。

浅埋近距离煤层上部采空区自燃危险区数值模拟研究

浅埋近距离煤层群开采下部煤层时,地表裂隙经过二次发育连通上部老采空区,造成采空区内漏风增加,自燃危险性相应增大。以苏家沟煤矿5-1_(上)煤层至地表空间为研究对象,借助Fluent数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区,特别是上部4-2_(中)煤层采空区的自燃危险区域的影响。研究结果表明:采空区内氧气浓度随着与工作面距离得增加而逐渐降低,连通上部采空区与地表的裂隙对采空区内的氧化带分布产生影响,依据自燃危险区的划分标准,结合风流场及氧化带的分布云图确定自燃危险区域的位置和范围。