近距离煤层垂向采空区高静储瞬态充水模式与解危技术

榆神府矿区侏罗纪煤田垂向层序上赋存多个煤层,当下层煤开采时,面临上部近距离采空区积水威胁,基于垂向采空区充水模式的综合解危技术是下层煤安全回采的关键。通过分析煤层顶板岩性组合、含隔水层以及导水裂缝带发育高度特征,形成了近距离煤层垂向采空区高静储瞬态充水模式,认为基岩风化带水、火烧区水、第四系萨拉乌苏组松散层潜水以及大气降水是浅层采空区的直接或间接补给水源,在上部煤层采空区中形成较高水位的静储量;近距离煤层下层煤开采时,导水裂缝带沟通上部采空区,高静储积水以瞬间溃入形式进入下层煤回采工作面。针对高静储采空区积水威胁,提出了“近距离煤层充水模型建立—采空区积水范围探测与积水量预计—垂向采空区积水解危—疏控效果评价”4阶段解危模式,形成了解危成功的判别标准,即当钻孔疏放量等于动态补给量时,可认定采空区静储量积水已基本疏放完毕,采空区积水威胁解除。该成果在神木惠宝煤矿成功应用,对类似条件下的矿井具有借鉴意义。

平顶山矿区多煤层卸压立体抽采模式与工程示范

平顶山矿区多煤层发育、含气层段多,仅靠井下进行瓦斯治理工程量大、难度高。为了开辟平顶山矿区瓦斯抽采新模式,达到“采一层抽多层”的目的,采用气测录井与含气量测试相结合的方法精准判识了煤系主要含气层段和含气量;采用体积法评价了东部5对矿井采动区和采空区的煤系气资源量。基于“O”形圈理论和“防-抗-让”思想,分别优化设计了采动井、采空井的井位、层位和井身结构,构建了采动区、采空区多煤层卸压立体抽采模式并进行了工程示范。结果表明:(1)二_(1)煤层顶板200 m范围内存在四煤组、三煤组、二_(1)煤层顶板60 m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段等3处主要含气段。平顶山矿区东部5对矿井的采动区和采空区资源量分别为26.36×10~8 m^(3)和20.00×10~8 m^(3)。(2)采动井最佳井位为0.17~0.28倍采长,且靠近回风巷条带区域;走向上,采动井的间距一般为80~100 m。创建了“大口径、避开岩体变形强烈区、P110梯型扣套管”的采动直井稳孔技术体系和“下行水平轨迹+提高套管强度”的采动L型水平井稳产技术体系,保证了产气通道的畅通性。采空井一般布置在距离回风巷30~50 m的区域,完钻位置一般为二_(1)煤层顶板40~60 m的范围;筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部。(3)建立了“地面采动直井/定向井-采动L型水平井-采空井”联作的卸压立体抽采模式,实现了多气源立体抽采。截至2024年4月30日,累计抽采纯量达5258.8万m^(3),总利用量达到3735.4万m^(3),率先在河南省实现了煤系气产业化开发,示范和引领带动作用显著。

特厚煤层小煤柱沿空掘巷支护技术研究

小煤柱沿空掘巷过程中易出现巷道围岩变形大、局部鼓出等现象,针对这一问题,采用理论分析、数值模拟、工程类比的方法,对巷道基本顶破断方式进行了判断,并采用数值模拟分析不同宽度下煤柱的应力及位移变化规律,初步确定了煤柱留设宽度为8 m;对比邻近矿井的沿空掘巷案例,采用工程类比法最终确定了煤柱宽度,并对巷道支护方案进行设计,现场应用效果良好。

管道作用下急倾斜煤层稳定性分析

近地表荷载与急倾斜煤层老采空区的“活化”有着紧密的关联,采空区覆岩中裂隙带底部的岩块在荷载作用下极易发生回转失稳和滑落失稳,这些岩块对采空区的稳定性起到至关重要的作用,被称为关键岩块,当荷载作用使得关键岩块失稳时,采空区将发生“活化”。基于采空区覆岩“砌体梁”结构力学模型对关键岩块进行力学分析,构建荷载作用下采空区上覆岩土体失稳判断依据,进而对荷载作用下急倾斜煤层上覆岩体稳定性进行定量分析,研究发现:当作用于土体截面处最大摩擦力大于该土体所受最大剪切力时,该块体不会发生滑落失稳;只有关键岩块与岩块之间的平均挤压应力小于岩块在边角处的挤压强度,关键岩块才不会发生回转失稳。将推导结果应用于广东省某急倾斜煤矿,计算结果表明:在茶山煤矿4煤和6煤采空区上方铺设输气管道并不会引起采空区的“活化”;荷载作用下的关键岩块力学分析在急倾斜煤层上覆岩体稳定性中应用效果较好,对实际工程有一定指导作用。

厚煤层大断面沿空巷道变形破坏机理及控制技术

针对沿空巷道受多次采动叠加影响极易发生变形失稳破坏的难题,以某矿1505W工作面厚煤层综放开采工作面为研究背景,综合采用理论分析、现场实测、数值模拟等多种研究方法探讨分析了沿空巷道围岩失稳破坏机制,并提出了围岩“浅部、深部、表层”控制方案。现场试验结果表明,提出的控制方案能够使巷道浅、深部围岩形成统一的整体,有效抑制了沿空巷道围岩变形,提高了巷道的稳定性。

不规则采空区下特厚煤层综放面注浆扩散规律及加固技术

为了解决不规则采空区下特厚煤层综放强采动过程中矿压与围岩控制难题,以山西宁武榆树坡煤矿5106综放面为工程背景,通过现场监测的手段研究了不规则采空区下特厚煤层综放面矿压显现特征,并在此基础上采用数值模拟的方法分析了不同裂隙特征参数的浆液羽状扩散规律,揭示了三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理,形成了三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固技术,制定了围岩注浆加固技术实施方案,并进行了工程应用。研究结果表明:回采期间工作面支架阻力整体呈现出“两端小、中间大”的趋势,不同推进距离工作面方向支架工作阻力分布特征存在明显差异;注浆扩散形状受裂隙分布的影响,随裂隙数量的增加,注浆扩散形状从初始的圆形转变为裂隙引导的不规则羽状;实施脉冲注浆加固技术后,实测发现脉冲注浆扩散速率提升了约25%,综放面煤体裂隙被充分充填,围岩加固效果显著,实施效果良好。

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明:连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0~20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。

特厚煤层综放临空巷道冲击地压综合防治技术应用

在特厚煤层开采过程中,由于临空巷道受相邻上一个工作面采空区顶板活动以及现采工作面回采影响,在回采过程中,由于临空侧向静载荷和回采期间超前动载荷相互叠加,导致临空巷道围岩应力随之上升,巷道冲击风险也随之增加。以小庄煤矿40205回采工作面为背景,采用理论分析、现场实测、数据统计等方法,研究分析了临空巷道工作面回采过程中产生冲击的主控因素并制定出了相应的防冲卸压技术方案;现场实施后,通过微震、应力监测方法进行了效果检验。结果表明:特厚煤层临空巷道回采过程中,通过现场防冲卸压技术方案的优化后,微震能量数据主要以102J/d为主,临空侧巷道两帮收敛量降低了96%,工作面超前100~150 m内,应力值降低至7.3 MPa,同时,通过采用“锚索+双网+大托盘”联合支护,提高了巷道的支护能力,工作面回采期间冲击地压防治效果显著,为后期临空巷道回采积累了经验。

近距离煤层下煤层巷道合理布置及分级支护技术研究

为解决近距离煤层下煤层巷道合理布置及支护难题,以高家庄煤矿4201工作面回采巷道为工程背景,综合采用现场调研、理论分析、数值计算和工业性试验的方法,分析了3#煤层开采后底板岩层损伤特征、底板应力演化规律,确定了4#煤层首采工作面巷道采用内错布置方式,水平错距6 m。根据层间距变化,提出了2.8 m层间距以下采用“全锚杆+架棚”、2.8~3.3 m采用“帮锚杆+顶板短锚索+架棚”、层间距3.3 m以上采用“帮锚杆+顶板长/短锚索”等分级支护方案。矿压监测结果表明:巷道最大变形为顶板下沉,无论哪种层间距条件下均不超过100 mm,围岩控制效果好,保证了近距离煤层采空区下巷道的稳定性。

西南地区急倾斜薄煤层充水采空区地面注浆堵水工艺研究及应用

针对金沙水电站蓄水区南岸的相关煤矿采空区的治理,选择帷幕注浆堵水为治理方案。通过钻孔将水泥浆充填采空区及其上部裂隙,切断金沙江与矿井之间的径流通道,其中帷幕孔注浆采用水泥-水玻璃双液浆注浆工艺,一般注浆孔采用水泥浆单液注浆工艺。室内凝结时间检测试验的结果中,水泥浆的终凝时间随着水灰比的增大而逐渐从500 s以上下降到20 s左右,根据试验结果确定了合适的水泥浆配比。注浆堵水质量检测得到4组水泥芯体的采空区无侧限抗压强度均值分别为1.21、1.21、1.36、1.29 MPa,注浆段波速值为365~384m/s。抗压强度大于1 MPa,横波波速大于350 m/s,表明注浆堵水工艺实施后的质量评价结果整体满足要求,具有可行性与实用性。

华蓥山隧道穿越急倾斜煤层采空区施工方案及应用效果

以华蓥山隧道穿越高顶山煤矿采空区为工程背景,研究了复杂采空区隧道施工的勘察技术和开挖支护方案,建立了隧道穿越急倾斜煤层采空区三维数值计算模型,分析了隧道结构的安全性,结合现场应用评价了隧道穿越急倾斜煤层采空区施工技术。研究表明:1)超前地质钻探能准确判断煤层采空区的空间位置、有害气体以及充填情况,可指导隧道开挖施工风险预测;2)在采取超前大管棚和帷幕注浆加固措施后,隧道穿越采空区施工过程中围岩整体较稳定,未出现掉块、坍塌等现象,施工顺利完成。

近距离煤层综采工作面过上覆采空区煤柱技术研究

针对西山煤电西曲矿14307综采工作面近距离下伏煤层过上覆采空区遗留煤柱时发生动载矿压的安全问题,通过应用水力压裂技术,在高应力区巷道围岩中打设一定数量的钻孔,在水力压裂作用下提前破坏遗留煤柱,减弱煤柱边界承压能力,并在现场采用顶板在线监测、巷道围岩观测、锚杆(索)测力计观测等多种手段进行指导和验证,有效解决近距离煤层综采工作面过上覆采空区煤柱容易发生动压事故的问题。

下峪口煤矿23306下工作面回采巷道合理错距研究

近距离煤层采空区下回采巷道合理错距的确定对巷道安全高效掘进意义重大。以下峪口煤矿为工程背景,采用理论分析及现场试验的方法,对23306下进顺采空区下回采巷道合理错距进行研究。得出下峪口煤矿23306下进风顺槽合理留设错距为22 m,根据23306下进顺错距留设情况提出支护方案并根据巷道顶底板及两帮位移变化情况进行监测验证,监测发现巷道各测点顶底板及两帮的移近量均小于450 mm,大多时间内两帮的移近量小于350 mm,煤柱帮的深基点和浅基点的位移变化量基本一致,且随着巷道的掘进,未出现较大变形,说明采用22 m错距可实现围岩变形稳定,研究可为类似条件巷道安全高效生产提供经验和参考。

考虑顶板赋存变化的近距离采空区下巷道变形机理及控制

针对近距离采空区下巷道围岩变形严重问题,以钱家营矿2097W工作面为背景,采用数值模拟阐明了顶板赋存变化下巷道矿压显现特征。结果表明:顶板下沉量与直接顶泥岩的厚度呈正相关,与直接顶岩石强度呈负相关,随着直接顶泥岩厚度变薄顶板受剪切与拉伸破坏交替影响,顶板稳定性随直接顶强度减弱而降低,应力扰动下岩体内部裂隙向上扩展,于层间弱面处产生分区破坏,塑性圈范围增大,整体破坏模式复杂;进一步提出采用高预紧厚层锚固技术维控顶板,构建低损伤、小变形的稳态锚固岩梁,设计支护参数并开展了工业性试验,矿压监测结果表明巷道控制效果良好。

130203综放工作面综合防灭火技术研究与实践

130203工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法,所采2#煤层属于易自燃煤层。为预防在回采期间工作面出现自燃发火的现象,结合130203综放工作面实际开采情况,采用预测、治理及效果监测的全过程研究方法,确定了自燃发火预测预报,封堵采空区漏风,工作面上、下段采空区灌注防灭火材料,采空区灌浆、注惰性气体等综合防灭火技术方案,并制定了近距离、远距离、小面积、大面积应急灭火方案。经实践证明130203综放工作面回采期间,工作面煤层未出现自燃迹象及险情,达到了预期的防治效果,保障了工作面的安全生产。

近距离采空区下大断面切眼支护技术应用

以9101采煤工作面为工程实例,该采面切眼跨度为8 m,且上覆为8^(#)煤层采空区及煤柱。切眼拟采用分次掘进方法施工,首先掘进巷道宽度4.5 m,后刷扩3.5 m;在掘进期间,通过探测切眼顶板与上覆8^(#)煤层采空区层间距,再设计切眼顶板支护方案;现场应用后,切眼顶底板、巷帮变形量分别为60 mm、73 mm,实现了近距离采空区下大断面切眼围岩变形有效控制。

浅埋近距离煤层群上覆采空区火灾及气体下泄防治研究

针对沙坪煤矿13103工作面浅埋近距离煤层上覆采空区煤层自燃和气体下泄问题,综合利用地面红外探测和同位素测氡等多种方法探测13103工作面上覆采空区自然发火状态,在此基础上用SF6气体进行漏风通道测定,并采用数值模拟方法分析了CO气体的下泄机理。研究结果表明:煤层自燃倾向性、复杂埋藏条件和老窑火区是发生煤层自燃的主要原因,在标定12个火区中心点和39 077 m2隐患区域基础上,发现地面、采空区火区和工作面三者裂隙相互连接是导致CO气体在工作面后半部分涌入工作面并在回风隅角处聚集的主要原因。同时,研究发现,采用井上下联防联控手段可消除上覆采空区内高温点,使得CO气体浓度稳定在0.05%以下,有效控制了采空区自燃和气体下泄问题,保障了13103工作面安全生产。

深部特厚煤层综放沿空掘巷煤柱优化及巷道支护

为研究深部大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷巷道矿压控制问题,以国能宁煤集团枣泉煤矿2^(-2)特厚煤层130203大采高综放工作面回风巷道为背景,基于实用矿山压力理论,建立了巷道围岩内、外应力场动态结构力学模型,运用理论计算和数值计算针对不同尺寸煤柱煤体应力对比分析,将原留设15 m护巷煤柱缩小至5 m进行了煤柱优化。结果表明:在稳定的内应力场掘巷有利于巷道的稳定性,避免了顶板事故及冲击地压相关灾害的发生,现场5 m小煤柱护巷工程应用中,130203回风巷道小煤柱侧变形量为1050 mm,实体煤帮变形量为400 mm,两帮呈现不对称性变形,底板局部底鼓量为1400 mm;深部特厚煤层综放开采沿空掘巷采用5 m小煤柱护巷方案设计正确,极大改善了巷道围岩的应力环境,整体设计满足生产要求,现场应用良好。130203工作面小煤柱沿空掘巷技术成功应用,为矿井开采提供了可靠的科学依据。

特厚煤层重复采动作用下采空区自燃“三带”位移变化

为探究特厚煤层重复采动下采空区煤自燃“三带”的分布特征,基于束管监测系统,在铜川下石节煤矿222工作面进行现场实测,确定其自燃“三带”的分布规律。借助Fluent软件分别模拟重复采动及单一采动时采空区内氧气浓度的动态分布规律,发现重复采动采空区内实测结果与数值模拟结果基本一致。与单一采动模拟结果对比,重复采动导致采空区内部的散热带和氧化带出现缩短趋势;在进风侧散热带前移6.8%,氧化带前移7.0%;回风侧散热带前移14.3%,氧化带前移11.3%。研究成果能够为重复采动作用下采空区煤自燃危险区域防治提供依据。

极近距离煤层采空区下沿空留巷技术研究

为了解决极近距离煤层采空区下多次回采影响的沿空留巷围岩严重变形难题,以山东新查庄矿业有限责任公司(以下简称“新查庄煤矿”)91006综采工作面为工程背景,研究分析了采空区下沿空留巷覆岩顶板结构特征及运动规律,通过建立顶板位态力学结构模型,确定了采空区下沿空留巷巷旁支护阻力计算方法,计算出巷旁支护阻力为3432 kN,提出了“水力压裂超前断顶+巷旁钢管混凝土墩柱高强支护”为主体的巷旁复合支护体系。利用超前断顶卸压技术将巷旁顶板由传递岩梁结构向短悬臂梁结构转变,大大降低巷旁支护阻力,与钢管混凝土墩柱的高强巷旁支护相结合,特别适用于采空区下的沿空留巷工程。通过在新查庄煤矿91006综采工作面试验应用表明,留巷取得了较好的效果,巷道表面整体变形量较小,满足工作面回采期间的要求。