突出煤层沿空采动卸压带影响范围确定

为保证施工期间安全,大众煤矿通过采动卸压所形成的保护范围掩护采掘作业。为进一步掌握煤层沿空采动卸压带影响范围,通过煤层瓦斯含量测定以及钻屑指标法对实际效果进行检验,以确定煤层沿空采动影响范围。由残余瓦斯含量分布规律可知,试验区采空区侧向实体煤侧6~43 m范围煤层卸压排放有效,但考虑到侧向工作面钻屑解吸指标在钻孔深度达到28 m时明显增大,故确定煤柱工作面沿空采动卸压带影响范围为28 m。

蹬空采煤法在固庄煤矿的应用

针对小窑蚕食区上方煤层开采困难的问题 ,提出了蹬空采煤法 ,并通过实践应用 ,取得了良好的技术经济效果。

采空区上方近距离煤层蹬空采煤法在崔家寨矿的应用

针对小煤窑蚕食区上方煤层开采、顶板管理困难的问题,采用上行蹬空采煤方式,通过在崔家寨矿的实际应用,增加了资源回收率,缓解了采掘衔接紧张的局面,取得较好的技术经济效果。

太焦铁路多维时空采空区选线及勘察评价

研究目的:太焦铁路沿线所经长治、高平、晋城、焦作等地区均为资源型城市,煤矿、硫铁矿、山西式铁矿开采历史悠久,采空密布杂乱,具有多样性、长期性、隐伏性、密集性等特点,严重制约线路方案贯通和走向。以往石太客专、京沪高铁、沪昆高铁、沈丹客专、京沈高铁等高等级铁路也存在采空区问题,但多以勘察、绕避为主,治理为辅的方式解决,并未从根本上提出采空区选线的理论。近几年,随着东北、内蒙及中西部铁路市场的发展,高速铁路穿越采空区问题突显,亟待从实践中总结一套采空区选线理念。研究结论:(1)太焦铁路为第一条穿越大面积采空区的高速铁路,较传统的地质选线思维和方法有所创新,在对沁水煤田古地理、聚矿规律、构造演化、地层层序、大断裂、开发利用深入研究后,以铁路方案走向为基础,经勘察评价验证,总结出一套由"面"到"线"集"点"成"体"的多维时空采空区选线理念,经案例分析,该方法能够切实反映采空区分布的时空规律,可为方案选择提供支撑;(2)多维时空采空区选线理念的探索对于华北地块区域内的线性工程规划、建设研究具有借鉴意义。

基于层次分析法与频率比模型的采空塌陷危险性评价

采空塌陷危险性评价是编制地质灾害防治规划、开展地质灾害防治与监测预警工作的重要依据。本文采用层次分析法与频率比模型相结合构建了采空塌陷危险性评价模型(AHP-PF组合模型)。以沈阳市蒲河-清水矿区为例,考虑了地质条件、地表特征、开采条件等3方面影响因素,选取了第四纪覆盖类型、第四纪松散层厚度、地质构造复杂程度、可采煤层顶板强度指标、煤层倾角、地表沉陷速率、采深采厚比、采空区叠置层数等8个评价指标,利用AHP-PF组合模型计算各指标权重及频率比,最后进行采空塌陷危险性分区。评价结果表明,采空塌陷危险性高区主要集中在采深采厚比小、沉陷速率大及目前仍在开采的区域,该区域是地质灾害防治、搬迁避让的重点区域。

山西省煤矿采空地下空间评估与再利用研究

山西省煤炭资源丰富,年煤炭产量占全国产量的近1/4,煤炭资源开采形成大量的采空地下空间。随着碳中和目标的提出和山西风电、光伏发电的大力发展,如何合理利用煤矿采空地下空间,尤其是将地下空间与新能源结合将成为煤炭产业低碳发展的关键。本次研究运用比例系数法和采空地下空间守恒定律,测算出2022年山西省开采煤矿井巷可利用空间为1.54亿m^(3),“十五”到“十三五”期间关闭/退出煤矿的井巷可利用空间为1.05亿m^(3),估算1949至2021年山西省煤矿因工作面开采形成的采空地下空间约38.98亿m3,预测到2030年山西省煤矿工作面开采还可形成采空地下空间约19.56亿m^(3)。根据山西省能源低碳发展需求提出了山西省煤矿采空地下空间未来可利用的四种模式:煤矿地下旅游或地下仓储、煤矿地下抽水蓄能、煤矿地下压缩空气储能和煤矿地下封存二氧化碳等。

基于静力水准的采空区地表变形监测及误差分析

目前,采空区上方的地表沉降变形监测主要采用人工水准仪测量,该方法效率低、成本高、周期长,且无法实现自动化实时监测。为解决上述问题,引入静力水准自动化监测技术,在分析静力水准自动化监测工作原理及监测系统构成的基础上,对其可靠性、误差来源及消除方法进行了深入探讨,最后结合条带采空区上方地表监测实例从监测方案、测点布置、数据分析等多个角度进行了系统研究。研究结果表明:该技术能够满足条带采空区上方地表沉降变形自动化监测的要求,可为相关监测工作提供技术支撑。

小断层影响下的采空区瓦斯运移规律研究

在煤矿开采过程中,小断层会导致采空区瓦斯聚集形成瓦斯富集区,对生产安全具有很大威胁,因此有必要研究小断层影响下的采空区瓦斯运移规律。通过UDEC数值模拟采空区上覆岩层破坏过程,从而计算小断层影响下采空区上覆岩层的空隙率,并利用FLUENT软件数值模拟开采过程中考虑小断层影响的采空区瓦斯运移规律。研究表明:①工作面距离小断层20 m远处,小断层从顶部首先出现滑移现象,采空区上覆岩层的位移开始受到断层的影响;工作面到达断层时,由于断层滑移,上盘岩体在断层面滑移产生回转现象,支撑着采空区岩层,覆岩垮落位移量出现大幅度减小,并且岩层垮落出现滞后现象;小断层的影响范围有限,工作面过小断层60 m之后,采空区上覆岩层位移规律逐渐恢复正常。②通过分析含小断层采空区上覆岩层位移特征,得到了采空区上覆岩层位移及其拟合公式,计算得到了三维空隙率分布规律:垮落带范围内,覆岩空隙率在4个隅角位置最大,并且断层靠近进回风巷的位置也出现了空隙率增高;裂隙带范围内,除断层靠近进回风巷的位置空隙率较大,其他位置空隙率相对较低且变化不明显。③获得了小断层影响下的采空区瓦斯运移规律:在工作面距离断层50 m远处,采空区瓦斯运移几乎不受断层的影响;在工作面推进至断层时,瓦斯沿着断层及其附近的高空隙率覆岩产生的优势逃逸通道向采空区深部运移,同时上盘的瓦斯也向深部转移导致大量瓦斯积聚在断层下盘,可能导致瓦斯随漏风流入工作面及回风巷;在工作面过断层50 m时,采空区瓦斯继续向上隅角附近转移;工作面过断层100 m时,采空区上覆岩层瓦斯运移出现回转现象,上隅角和下盘垮落带瓦斯体积分数高。

弹−塑性基础边界两侧采空(留煤柱)基本顶板结构初次破断特征

为了研究两侧采空留煤柱工程条件下基本顶板结构的断裂位态及工程指导意义,构建考虑实体煤弹塑性变形与两侧煤柱宽度及支撑能力弱化的基本顶板结构双塑化基础边界力学模型,基于有限差分算法与主弯矩破断准则系统计算了在非对称煤柱区和长边实体煤区的断裂线形态、区位属性及整体位态特征,并从7个层面、横纵向4对区域与传统模型对比,阐明新模型所得新结论及工程意义。结论如下:(1)两侧非对称煤柱参数对长边实体煤区域的基本顶主弯矩及破断位置影响小,但分别显著影响煤柱区的主弯矩大小、位置及断裂形态。两侧煤柱区(较强/宽煤柱区+较弱/窄煤柱区)基本顶断裂线形态有3类演化模式,随基本顶厚度及弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小,其变化规律为:非对称的“连续单弧形+连续单弧形”→“连续单弧形+开口间断双短弧形”→非对称的“开口间断双短弧形+开口间断双短弧形”。(2)长边实体煤区基本顶的断裂线主要有3类区位属性,随基本顶厚度及弹模增大而实体煤的塑性区宽度、塑化程度及悬顶跨度减小,其演变规律为:断裂线在塑性煤体区(C-S式)→弹塑性煤体分界区(C-TS式)→弹性煤体区(C-T式);(3)考虑断裂线区位属性,随基本顶厚度和弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小的基本顶全区域破断模式及演变规律为:C-S式的■→C-TS式的■→C-T式的■→C-T式的■→C-T式的■。针对研究两侧采空(煤柱)基本顶板结构破断的3类力学模型,从7个层面对比了3类模型的重要区别,从横向4个区域(开采区域的前方与后方、两侧煤柱区)与纵向4个区域(非对称遗留煤柱下伏、下伏开采空间出/进煤柱/体)阐明了其重要工程作用。

深部条带老采空区覆岩破坏多参量监测研究

针对深部条带老采空区覆岩移动变形问题,确定了裂隙发育、拉压应变、岩层物性等主要参量指标,采用钻孔电视法、分布式光纤感测法、井间电法CT、微震法构建了采空区覆岩“点-线-面-体”多参量监测模式;运用该监测模式对工程实例进行实测分析,获取了采空区覆岩全方位、多层次的移动破坏特征,得出覆岩裂隙多集中在465 m以下,少量空洞位于垮落带及煤柱上方靠近采空区侧,煤柱塑性区范围约8 m的结论,综合判定采空区覆岩结构可在长时间内保持相对稳定。结果表明:“点-线-面-体”多参量监测模式在内容上能够有效涵盖条带采空区覆岩移动变形的各参量指标,时空上可实现点(静态)、线(动态)、面(静态)、体(动态)相互结合的全过程监测,监测结果间能相互验证,可满足深部条带采空区覆岩移动变形监测要求。

岩块尺度对采空区煤自燃区域的影响研究

为探究综放采空区岩块尺度对煤自然发火的影响,采用Fluent软件数值模拟不同直径岩块条件下采空区的煤自燃规律,分析采空区氧浓度场和风速场,分别以氧气体积分数和风速为指标,确定采空区氧化带面积并以二场叠加场作为采空区煤自燃危险区划分标准,研究煤自燃危险区域与岩块直径的关系。研究结果表明:当岩块直径由0增加到10 m时,以氧气体积分数为指标,氧化带宽度变小,面积由5563.84 m^(2)减至2602.69 m^(2);以风速为指标,氧化带面积由3376.60 m^(2)减至1262.95 m^(2);将2种指标确定的氧化带进行叠加得到煤自燃危险区,随着岩块直径的增加,其面积由1854.04 m^(2)减至552.91 m^(2),煤自燃危险区最大宽度由20.40 m缩减至9.06 m。研究结果可为采空区煤自燃发火区域的确定提供参考。

地空瞬变电磁法在煤矿采空区中的应用效果分析

煤矿采空区一直是工程中难以解决的重点难题之一,现工程中一般是结合开采资料及煤层分布进行综合分析。由于大型煤矿多采用自然塌落法来处理采空巷道,而非金属类矿山的填充法,随着时间的推移,会出现非常多的塌陷,导致采空区内部情况非常复杂,难以查清。尤其是在老旧的煤矿当中,由于过去技术落后,矿洞测绘资料存在一定的失真,导致很难明确定义现采空区的具体范围,为工程的顺利开展提出了重大的课题。结合黑龙江依兰煤矿(日伪时期的开采老旧煤矿采空区),在地形地貌条件特别差,人难以攀登的条件下,应用地空瞬变电磁法,初步解决了该采空区的范围和规模。

采空区场地高速铁路路基动力响应离散元数值模拟分析

目的高速铁路穿越采空区场地存在重大安全隐患,为探讨采空区场地高速铁路路基的动力响应规律,方法利用3DEC离散元软件建立17组采空区场地高速铁路路基数值模型,分析不同列车荷载作用下路基内部的沉降变形和动应力分布规律,对比分析无砟轨道和有砟轨道路基内部动力响应的分布差异,分析采空区开采宽度、厚度对动力响应分布规律的影响。结果与无砟轨道相比,有砟轨道路基内部的动应力幅值明显更高,但其动应力的衰减速率也更高;动应力、动位移的时程曲线沿着路基深度方向出现不断增大的相位差;路基内部动位移幅值随着荷载作用时间增加而逐渐增大,但增大的速度不断降低,动应力幅值基本保持不变;动应力、动位移幅值与列车轴重存在明显的线性关系,随着轴重增加而线性增大;采空区开采宽度、厚度越大,列车荷载造成的动位移幅值也越大,但当开采宽度大于一定数值后,动位移幅值反而出现减小趋势。结论列车荷载、路基轨道类型和采空区场地的差异都会对路基内部的动力响应分布情况产生影响,研究结果可为采空区场地高速铁路的安全运行提供理论参考。

关于采空区地表变形对桥梁影响的研究

目的 以二龙山1号高架桥为研究背景,研究既有采空区所引起的地表沉降以及沉降对已建桥梁的影响。方法 结合数值模拟分析,拟定不同的采空区情况(采空区半径、采空区空洞高度、采空区顶板埋深、顶板弹性模量),分析在自重及附加桥梁荷载作用下,地表沉降规律以及地表沉降对已建桥梁的影响。结果 地表沉降最大值与采空区半径大小、采空区空洞高度呈正相关;地表沉降最大值与采空区顶板埋深、采空区顶板岩层弹性模量呈负相关;结合相邻墩台最大沉降差的要求,在实际工程中,采空区半径小于60 m、采空区埋深大于55 m、采空区空洞高度小于1 m、桥梁正下方岩层弹性模量大于2 000 MPa,理论上可以不进行处治。结论 采空区半径越小,顶板埋深越大,空洞高度越小,顶板岩层弹性模量越大,采空区地表变形越小,对已修建桥梁影响越小。

采空塌陷区隧道病害机理与防控研究现状与展望

我国是煤炭生产大国,煤炭开采造成了大量采空塌陷。随着公路铁路网不断加密,在山西等采煤大省,越来越多的交通隧道不得不穿越煤矿采空塌陷区。采空塌陷区岩层破坏剧烈、变形量大且持续时间长,是隧道工程建设与运营的重大安全隐患,系统研究采空塌陷区隧道灾变机理与防控技术是隧道工程建设与运营安全的重要保障。通过分析文献报道的工程案例,总结了采空塌陷区隧道的主要病害类型及其灾变机理,回顾了塌陷区采动岩体长期变形预测方法与隧道灾变预测方法,介绍了塌陷区采动岩体变形控制方法与穿越采空区隧道围岩处治方法。在此基础上,分析了采空塌陷区隧道灾变与防控技术研究中存在的突出问题,并对亟待研究的方向进行了展望。

采空影响区高层建筑抗变形设计方法及应用案例

在煤炭资源型城市转型期,对土地资源的需求日益紧张,煤炭采空区不再只是进行城市绿化,而是越来越细分,在可利用的场地上进行工程建设。重点研究煤炭资源型城市采空影响区域内,基于数值沉降抗变形分析,高层建筑在保证安全的前提下,采用更加经济合理的地基基础方案及抗变形措施,这一设计方法的实施可以解决很多采空影响区内建筑活动因为过高抗变形措施费而停滞的项目,缓解了煤炭资源型城市发展用地需求。基于目前国内外采空影响区域内砌体结构及高层建筑抗变形设计分析方法,提出采用岩土有限元软件精细化模拟正常施工沉降变形及残余变形影响下的沉降变形;基于典型项目案例计算分析,提出抗变形设计的量化分析结果。分析方法及量化结果为后续煤炭资源型城市高层建筑的抗变形设计提供了可借鉴的经验。

采空区治理用尾矿砂注浆材料的制备及性能研究

为了解决常用的矿山采空区治理用注浆材料凝结时间长、析水率高、结石率低、水下浇筑时水泥流失量大、硬化后易脱空等问题,制备了一种尾矿砂注浆材料,并通过添加性能调节剂CA-Ⅳ、调整原材料配比对其性能进行了优化。结果表明:优化后的尾矿砂注浆材料工作性得到明显改善,凝结时间大幅缩短,24 h竖向膨胀率、结石率和28 d抗压强度均有大幅提高,水泥流失量显著降低。

采空区地表沉陷计算预测方法研究

本文以某煤矿开采形成的采空区范围为研究区,在搜集煤层赋存情况、现有采空区分布情况的基础上,选取岩层合理的物理力学指标,利用比较常用的概率积分法、数值模拟法对采空区的下沉值、水平变形、最大地表竖向变形等进行预测模拟,从而预测研究区地表变形情况。煤矿采空区地表变形的预测,是工程建设场地适宜性预测评估结论的重要依据。

浅埋深综放工作面采空区“三带”分布研究

为研究浅埋深综放工作面采空区“三带”分布规律,在串草圪旦煤矿6101综放工作面采空区埋设束管,对采空区“三带”进行了现场实测。实测结果表明:由于煤层埋深浅、地表起伏大、进风侧存在地表漏风,进风侧采空区“三带”明显滞后于回风侧,进回风两侧氧化带宽度分别为87.8 m和61.4 m。利用FLUENT软件对实测条件下该工作面采空区“三带”进行了数值模拟,模拟结果和现场实测结果基本一致。同时模拟了不漏风条件下该工作面采空区“三带”分布,此时采空区散热带、氧化带范围大幅度减小,进风侧采空区氧化带稍大,而工作面中部和回风侧“三带”分布基本一致。

基于Mathews稳定图法的采空区稳定性分析

采空区稳定性关系到矿山生产安全。为了方便准确地对采空区稳定性进行分析,以指导矿山安全生产。以某铅锌矿的某采空区为例,获取了采场的RQD值、节理组数、节理粗糙度、节理蚀变度等采空区力学指标或结构参数,分别计算出采空区的修正的岩石Q值、应力系数、节理方位系数、重力调整系数,进而计算得到采场的稳定数;统计了采空区的长度、高度和宽度等形状参数,以此为基础计算得到采空区的壁面积和壁周长,进而计算得到采空区的形状因子,以采空区的稳定数和形状因子为依据,在Mathews稳定图确定采空区所在的点,根据落点位置确定采空区稳定性,进而指导矿山安全生产。实践证明,Mathews稳定图法对采场稳定性分析是准确的。