Ground fissure development regularity and formation mechanism of shallow buried coal seam mining with Karst landform in Jiaozi coal mine: a case study

A comprehensive study was undertaken at Jiaozi coal mine to investigate the development regularity of ground fissures in shallow buried coal seam mining with Karst landform,shedding light on the development type,geographical distribution,dynamic development process,and failure mechanism of these ground fissures by employing field monitoring,numerical simulation,and theoretical analysis.The findings demonstrate that ground fissure development has an obvious feature of subregion,and its geographical distribution is significantly affected by topography.Tensile type,open type,and stepped type are three different categories of ground fissure.Ground fissures emerge dynamically as the panel advances,and they typically develop with a distance of less than periodic weighting step distance in advance of panel advancing position.Ground fissures present the dynamic development feature,temporary fissure has the ability of self-healing.The dynamic development process of ground fissure with closed-distance coal seam repeated mining is expounded,and the development scale is a dynamic development stage of“closure→expansion→stabilized”on the basis of the original development scale.From the perspective of topsoil deformation,the computation model considering two points movement vectors towards two directions of the gob and the ground surface is established,the development criterion considering the critical deformation value of topsoil is obtained.The mechanical model of hinged structure of inclined body is proposed to clarify the ground fissure development,and the interaction between slope activity and ground fissure development is expounded.These research results fulfill the gap of ground fissures about development regularity and formation mechanism,and can contribute to ground fissure prevention and treatment with Karst landform.

近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究

针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下,“大周期”来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题,采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段,对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究,结果表明:覆岩破断运动上,多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间”和“自下而上”的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“高低层位顶板组合破断”是“大周期”来压增强的关键诱因;同时,煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上,工作面“大周期”立柱下缩量平均可达945 mm,持续距离12.10 m,并可由2~5次连续强来压组成;巷道煤柱应力集中系数达到1.80~2.30,影响范围为工作面前方126 m至后方471.3 m,具有明显的“高强度、大范围、长上升期”特点。针对该条件下的强矿压防治,分别提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得的了较好的应用效果。

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。

浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术。研究结果如下:(1)揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的“薄、中、厚”煤层交错分布协调开采技术;(2)提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;(3)通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝“土壤重构–原位充填–微地形改造”组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷。上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑。

风蚀地貌区浅埋煤层矿井水文地质结构及保水采煤方法

新疆地区气候干旱、水资源稀缺,如何保护矿区水资源成为新疆地区煤炭开采面临的重大课题。以位于风蚀地貌区的新疆榆树泉煤矿作为研究区,探讨风蚀地貌区水文地质结构与水循环规律,提出榆树泉矿区保水采煤方法。首先,通过计算煤层开采导水裂隙带高度,确定煤层开采直接充水含水层,并进行富水性分区;然后,根据研究区内水文观测孔水位数据,分析矿区水体间水力联系及开采造成的影响,确定煤层顶板含水层、烧变岩含水层为应保护的目标含水层;最后,根据煤层开采扰动程度将研究区划分为3个区域,分别采取留设煤柱、限高开采等保水采煤措施,给出矿区污水净化后再利用方案。研究结果可为新疆地区后续的开采水害防控与水资源保护提供思路与参考。

厚硬顶板高强度开采覆岩破断 及来压规律研究

针对榆神矿区厚硬顶板高强度开采条件下,工作面煤壁片帮大、支架结构件损坏等强矿压问题,采用了数值计算、理论分析和微震监测等技术手段,对工作面覆岩破断运动及来压规律进行了分析研究。结果表明,厚硬顶板破断具有明显的垂向分区下沉特征,高、低位岩层之间较大的垂向离层空间和自下而上顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“小周期”来压期间内,来压强度将随着直接顶破断发育高度的降低而减弱,直接顶碎胀系数的增大将有利于来压强度的降低;“大周期”来压期间内,中高位岩层垂向破断高度和走向破断步距的增大都将引发来压强度上升,厚硬关键层的组合破断是“大周期”来压增强的关键诱因。针对该条件下的强矿压防治,提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得了较好的应用效果。

覆岩应力-漏风综合影响下浅埋煤层群下煤层开采巷道布置研究

针对浅埋近距离煤层群上部遗留煤柱影响下的下部工作面巷道合理布置位置确定问题,以活鸡兔井为例,采用离散元方法(DEM)模拟研究了遗留煤柱底板应力分布与上、下煤层开采采空区裂隙发育特征。结果表明:12号煤层开采过后,22号煤层水平距上覆煤柱20 m内为垂向应力与主应力差增高区,22号煤层水平应力在区段煤柱内侧较低;下煤层巷道布置采用外错式与重叠式时,巷道两侧围岩主应力差较大,且外错式与重叠式布置方式下22号煤层工作面开采时夹层与上部老空区覆岩二次运移剧烈,采空区两侧斜向裂缝带发育与贯通较好;采用内错式,巷道两侧围岩主应力差随与煤柱距离增大先降低、后升高,在距煤柱25~35 m处主应力差达到最低,且该布置方式下上部采空区覆岩沉降均衡,裂缝带闭合性较好,极大阻止了地表与层间贯通漏风通道的发育。

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。

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。

近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

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。

浅埋煤层矿压显现及支架适应性分析

为了探究浅埋煤层坚硬顶板工作面矿压显现以及验证液压支架的合理性,以庄子河煤矿15107工作面为研究对象,采用理论计算、PFC软件模拟、现场实测相结合的方法,研究该工作面开采过程中矿压显现的规律并开展液压支架适应性研究。结果表明:理论计算15107工作面基本顶初次来压步距约41.56 m,周期来压步距约为16.98 m,与数值模拟、现场实测数据基本一致;对上部、中部和下部支架的工作压力频率进行了分析,结果表明液压支架满足工作面正常开采要求。该研究成果对类似地质条件下探究其矿压显现规律以及工作面液压支架的选型具有一定的借鉴意义。

近距离煤层群协同机理对下位煤层巷道围岩应力研究

针对山西西易煤矿近距离4-1煤层、4^(-2)煤层,上位4-1煤层遗留煤柱对底板应力集中问题,讨论下位4^(-2)煤层巷道布置特征。通过塑性理论计算得出遗留煤柱对底板影响深度为25 m,大于上、下煤层夹层厚度,并计算得出遗留煤柱对底板横向影响范围为33.9~39.9 m。基于FLAC3D数值模拟分析下位4^(-2)煤层三种巷道位置布置方案,得出巷道布置在采空区最有利。综合分析遗留煤柱应力影响范围和数值模拟方案,得出下位4^(-2)煤层巷道外错40 m最为合理,且利于相邻工作面巷道布置。同时,提出采用“工字钢棚+锚杆+金属网”联合支护形式,在掘进和回采期间巷道稳定性较好,能保证正常矿井生产。

浅埋特厚煤层下向分层膏体充填开采覆岩变形控制机理

浅埋煤层因其顶板结构特征、矿压显现特征的独特性而导致其岩层控制机理的差异性。针对浅埋特厚煤层分层膏体充填开采沉陷控制问题,下分层开采时顶分层充填体作为假顶,因充填体结构致密,且无节理裂隙,探究浅埋煤层分层充填体假顶条件下的覆岩控制机理意义重大。采用理论分析、数值模拟与工程实测等综合研究方法,构建了膏体充填开采直接顶力学模型,解析了直接顶断裂失稳临界条件,提出了浅埋煤层岩层控制的核心要素为充填率,揭示了浅埋特厚煤层分层膏体充填开采覆岩变形控制机理,建立了浅埋特厚煤层分层膏体充填开采数值计算模型,探究了不同充填率下覆岩及地表移动变形特征,实测了充填体受力特征及地表移动变形量。研究表明:顶板岩梁极限跨距为17.9 m,与之相对应的挠度为0.54 m,上、下分层采高分别为4.65 m与3.65 m,计算得上分层充填率不低于88%,总体充填率不低于93%,可保证顶板不会断裂失稳;随着充填率提高,覆岩应力集中系数与变形量不断降低,充填体承载作用逐渐增强,地表移动变形量逐渐减小,当上、下分层的整体充填率达到98%,地表移动变形量均可满足建(构)筑物保护要求;上分层充填开采后,充填体所受应力逐渐增加并稳定于2.3 MPa左右,实测地表最大下沉57 mm,最大倾斜值0.82 mm/m,最大曲率值0.03 mm/m^(2),地表移动变形量均在Ⅰ级设防指标范围内,充填效果良好。

浅埋近距煤层群开采覆岩三带发育特征分析

研究浅埋近距离煤层群开采的覆岩三带规律对于指导矿井下行安全开采有着至关重要的作用。为了研究上、下煤层开采过程中覆岩层的破坏规律,根据韩家湾煤矿现场实际情况,通过物理相似模拟实验研究浅埋近距离煤层过上层煤的采空区时上覆岩层结构失稳特征。研究浅埋近距离煤层群条件下开采4-2煤层后的覆岩移动变形规律、裂隙发育规律、矿压变化规律及其随工作面推进的变化情况及地表岩层的运移规律,发现浅埋近距离煤层下组煤层回采过程中,上覆岩层下沉量呈现三阶段变化,即下沉量上升阶段、下沉量恒定不变阶段、下沉量减小阶段。距离下组煤层越近,覆岩下沉量越大,距离下组煤层越远,覆岩下沉量越小。明确覆岩三带发育特征,能够为浅埋近距离煤层群开采水害防治提供依据,为榆神府矿区类似重复采动时工作面的安全回采提供指导和借鉴。

浅埋深黄泥顶板工作面围岩稳定性控制

为有效治理晋能控股集团晋城公司七一煤矿9114综采工作面回采期间出现的大面积黄泥冒顶,通过理论分析、微观结构测试和现场实践,揭示了浅埋深黄泥顶板工作面的围岩失稳原因,并提出“留底割顶+短支短护+支架少降快移”的直接顶稳定性控制技术。现场应用表明,该技术有效控制了9114工作面黄泥冒顶事故,顶底板移近量稳定在可控范围内,保证了工作面正常回采,为类似条件下工作面围岩稳定性控制提供一定参考。

近距离下层煤开采区段煤柱合理错距研究

为了研究近距离煤层群开采形成的煤柱群合理错距问题,以山西甘庄煤矿8~#和11~#煤层为研究背景,采用理论计算的方法,构建了煤柱群合理错距的力学计算模型,利用数值模拟研究了区段煤柱的应力扰动特征和合理错距长度,并通过现场应用验证了研究的科学合理性。研究表明,煤柱群应力扰动范围可分为3个区,分别为应力集中区、应力扰动区、应力叠加区,应力分布范围受煤柱应力传递角、层间距和上煤柱留设宽度影响,且与层间距成线性关系,与煤柱应力传递角成三角函数关系,层间距对煤柱合理错距长度的影响最大。由数值模拟和理论计算得到,区段煤柱的合理错距长度为40 m,同时采用YHY30本安型钻孔应力计对现场展开监测,监测数据与理论分析结果接近,验证了研究的准确性。