煤炭原位开发地质保障

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。

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。

深埋三软巷道围岩变形力学测试与支护设计材料优选

针对深埋三软巷道支护围岩稳定性控制的问题,以五举煤矿13207工作面两顺槽为背景进行研究。首先,依据现场地质条件调查与现场监测结果分析了巷道围岩岩性;其次,通过对巷道围岩进行取样并进行力学试验研究分析了巷道围岩力学性质,分析结果显示巷道顶板与两帮岩性较强,底板岩性较差,导致开采过程中易发生底鼓现象;第三通过力学试验研究,对巷道围岩支护进行设计,设计主要采用三种材料,分别为微膨胀高强注浆材料,前锚后注式高预紧力锚杆与全长粘固锚索,并在巷道内进行合理布设,支护效果良好,巷道未发生较大变形,但后期应加强对巷道支护效果的观测,以避免存在隐患。

深埋特厚煤层多工作面开采地表移动规律研究

深埋特厚煤层多工作面开采相互影响剧烈,地表移动呈现出特殊规律。以彬长矿区文家坡煤矿41盘区4103、4104和4105工作面为例,采用数值模拟、现场实测等研究手段,探讨新工作面开采对已采工作面地表移动的影响,得出覆岩及地表应力分布特征与变化规律。研究表明:新工作面开采加剧了已采工作面地表的移动,随着新工作面开采数目的增多,已采工作面地表下沉值与水平移动值增幅逐渐变小并趋于稳定,且受相邻工作面开采影响最大。通过理论分析将深埋特厚煤层多工作面开采覆岩及地表应力划分为拉应力区、压应力区和拉压应力转化区,其中新工作面开采使老采空区覆岩产生应力扰动与面间煤柱应力集中,且覆岩压应力与面间煤柱压应力增幅程度与地表移动程度呈正相关。研究成果为深埋特厚煤层多工作面开采地表损伤预测与防治奠定基础。

浅埋深煤层采空区自燃危险区判定及防治技术

浅埋深煤层工作面在开采过程中受采动影响更易产生与地面连通的裂隙,从而导致采空区漏风供氧增加、遗煤自然发火隐患增大。为尝试解决这一问题,以李家塔煤矿2号煤层首采1201工作面为研究对象,现场实测了工作面通风参数、采空区内进、回风两侧氧气体积分数的变化规律;CFD仿真模拟了不同供风量下采空区内部自燃危险区域的分布特征;并在此基础上提出了氧化区惰化降温、漏风区域控风堵漏、覆盖遗煤阻隔煤氧化反应“三位一体”的采空区遗煤自燃综合防灭火技术措施。结果表明:1201工作面采空区自燃危险分布范围为:进风侧86~222m,回风侧54~156 m。

浅埋煤层工作面上隅角低氧隐患形成规律及防治技术

为解决沙坪煤业工作面上隅角有害气体积聚及低氧现象频发的问题,综合分析了上隅角低氧隐患形成的原因,通过设置测点取样,检测上覆采空区及本煤层工作面的气体组分变化,从而揭示出采空区气体的分布规律。结果表明,煤层原生赋存及采空区浮煤常温氧化是低氧气体的主要来源,由于地表裂隙供氧,上覆煤层采空区的浮煤氧化生成大量低氧气体,通过裂隙进入8号煤层采空区,再通过工作面的漏风通道涌出到工作面,风流汇集到上隅角,导致低氧现象的发生。提出井上下封堵漏风通道和优化通风管理方面的措施,减少向采空区供氧,阻断低氧气体的运移途径,可有效防止上隅角低氧及有害气体积聚。

中深部煤层开采对地表生态环境的影响及修复提升途径研究

随着陕北侏罗系煤田持续开发,中深部煤层开采已成为当前和今后的重点,但目前对中深部煤层开采引发的地表生态环境损害尚不明确,且缺乏相应的生态环境修复提升途径研究。以榆神矿区为研究区,以中深部煤层开采典型矿井为研究对象,采用现场调查、理论分析等方法研究了中深部煤层对地表生态环境的影响。研究表明:(1)中深部煤层开采诱发的地表裂缝发育程度整体较弱,对地表的损害较小,面内裂缝会随着回采以"C"字型向前扩展,且具有"先开后合"的单峰活动特征,边界裂缝具有"只开不合"的单趋向活动特征;第四系沙土层中地表裂缝发育深度小于2.5 m,单位长度的深度差异在5~142cm/m;(2)地表裂缝是影响地表生态环境的主要途径,裂缝不但会增加近地表水资源的下渗量,也会改变土壤水分的分布,减小20cm以浅表土层的水分含量,增加40~60 cm深度区间的土壤水分,同时增加浅部表土层的有机质,使浅部土层由中性变为弱碱性,局部宽大裂缝会造成植被根系断裂、枯萎死亡,而短小裂缝则会增加禾本科植物(羊草)的丰富度;(3)提出了采前"一评两预"、采中"一追一减"、采后"三定一提"的生态环境修复提升体系架构,阐述了其内涵、内容和技术途径;在生态环境修复提升体系的指导下,给出了以自然修复为主的榆神矿区中深部煤层开采地表生态环境修复途径;结合榆神矿区中部生态环境现状,提出了"湿地建造"、"生态农业建设"以及"观赏园林建设"的生态环境提升途径。研究成果对中深部煤层采动影响区生态修复提升具有参考价值。

深埋煤层开采的离心模型试验研究

以菏泽井田赵楼煤矿近千米深埋煤层首采区地质条件为依据,通过离心试验研究采动影响下,煤层顶板不同位置的应力变化规律,结果表明:(1)开切眼处煤柱处压力随煤层的采动不断变化,对其压力产生明显影响的是前方约35m煤层的开采,最大应力集中系数为2.04;开挖工作面前方10～15m煤层支承压力集中,最大应力集中系数为2.8。(2)直接顶处岩层压力随煤层的采动不断变化,在工作面处达到峰值,最大应力集中系数为1.74,工作面推过后,其压力下降后又有所回升,为上覆岩层重新压实所致。(3)老顶岩层压力亦随煤层开采不断变化,但其峰值出现在工作面推进后5～10m,最大应力集中系数高达3.91,在煤层开采过程中,要加强观察和支护,预防冲击地压等灾害的发生。(4)综合得出赵楼矿井老顶的初次断裂步距约为30m。试验结果可为煤炭深部开采条件下的岩层控制、合理的巷道布置、改善巷道支护和维护情况及冲击地压的预防提供依据。

巨厚冲积层薄基岩综放开采覆岩移动规律

巨厚冲积层薄基岩条件下,综放开采工作面经常出现异常来压,给顶板控制提出了较大的挑战。通过数值计算的方法,分析了600m厚冲积层、不同基岩厚度条件下的顶板变形破坏特征,得出基岩厚度小于120m时,覆岩可能出现全厚切落现象;揭示出巨厚冲积层在运动变形过程中具有整体性且难以形成稳定的强承载结构;现场实测出了工作面异常来压规律,证明了巨厚冲积层和薄基岩结构间的关系。该研究成果为类似条件下的综放面安全高效开采提供了借鉴。

中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区“保水采煤”研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理,以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区,采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法,研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:①风化基岩含水层水位随回采表现出“先下降后回升”并恢复至初始水位的动态变化过程,中间可分为“快速下降”、“回升恢复”和“稳定波动”3个阶段,平均持续时间为102 d。在水位快速下降阶段,水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布,且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段,持续时间和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;②当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时,潜水含水层水位出现“先下降后回升”和“持续下降”至稳定2种动态变化规律,且均未恢复至初始水位;③面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关,风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程,水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关,水位回升则是下沉减缓、临时性裂隙和离层的闭合以及含水层侧向补给因素有关;面外风化基岩含水层水位的动态变化则与其侧向补给有关;④面内潜水位的动态变化过程与地表下沉密切相关,其水位下降与地表活跃阶段早期剧烈下沉具有同时性和一致性,地表下沉造成的潜水水头差和潜水的渗流出露是造成水位下降的主要原因;水位回升则是地表进入活跃阶段后期和衰退阶段,高位潜水侧向补给和大气降水补给造成的;面外潜水位持续下降则是潜水侧向渗流和补给不足造成的;⑤中深埋煤层开采条件下,导水裂隙带一般不会导通至风化基岩层,风化基岩含水层水和潜水含水层水不会因采动导水裂隙而漏失,风化基岩水位可恢复,潜水含水层水位会因采动地表移动发生变化。

深埋特厚煤层采动应力特征及对邻近巷道影响研究

以陕西省小庄煤矿为研究背景,利用数值模拟与现场实测相结合的研究手段,分析了深埋特厚煤层采动影响范围以及对邻近巷道的影响,研究表明:深埋特厚煤层回采过程中工作面前方支承压力影响范围达到60m,在5～17m处出现应力增高区;工作面侧方支承压力在7～13m处出现应力增高区;受采动影响后邻近巷道塑性区呈不对称分布,靠近回采工作面一侧围岩破坏范围大于较远一侧围岩破坏范围。研究成果可为相似环境下巷道支护、煤层开采提供指导。

深埋厚煤层孤岛煤柱开采冲击危险性评价与治理

对3106孤岛工作面采用综合指数法来评价冲击地压危险性。在对3106孤岛工作面动静载扰动因素进行分析基础上建立冲击地压发生的断裂力学模型,对回采巷道支护体系防冲能力进行分析,为3106工作面冲击地压防治提出可行的安全技术措施,对该矿孤岛工作面安全高效生产具有重要意义。

复杂条件下综放工作面回风巷支护技术研究

以陕西彬长矿区深埋厚煤层胡家河矿40203综放工作面回风巷支护工程为依托,分析了该巷道围岩的破坏规律,结果表明该巷道围岩具有变形大、断面非对称破坏及支护困难等特点。以"卸压+加强支护+让压"为支护方案设计原则,提出了40203综放工作面回风巷的新支护方案及现场监测方案。实践表明:新方案实施后回风巷围岩比较稳定,说明新支护方案设计是合理的。

深埋厚煤层沿空掘巷小煤柱合理宽度的确定

根据深埋厚煤层某矿12209工作面的地质条件,利用理论计算和FLAC^(3D)软件综合分析了不同宽度小煤柱对沿空掘巷围岩稳定性的影响,得出小煤柱宽度8 m为最优方案,对类似地质条件下沿空掘巷小煤柱的留设提供了思路和参考。

近浅埋煤层开采顶板垮落步距分析

以榆阳煤矿2302工作面的开采实践为工程背景,利用"板"和"梁"两种力学模型对近浅埋煤层开采基本顶初次来压步距进行了分析和计算,结合基本顶实际垮落步距确定出适合近浅埋地质条件下的力学模型,并计算了"板"力学模型在不同边界条件下初次来压步距。为了解决基本顶初次来压步距过大的问题,根据采场处于不同边界条件下初次来压步距的特点,提出了采用深孔预裂爆破和区段煤柱宽度缩小的方法,使采场处于"两边固支两边简支"的受力状态,以减小初次来压步距,保证初采初放期间工作面顶板安全。

三软煤层防煤壁片帮中压深孔注水技术

在分析研究中压深孔注水技术的基础上,提出了适合登封三软煤层特点的相关注水参数及注水工艺：注水压力为5~12 MPa,每个注水孔采用反复注水,每次注水以煤壁淋水为标准。通过对采煤工作面注水,测算出湿润半径为8~12 m,大大降低了工作面粉尘浓度,减小了三软煤层回采工作面煤墙片帮的危害。

深部煤层构造探测地震地质条件与探查效果分析

深部煤层开拓生产过程中勘探地质资料相对较少,为准确获得煤层赋存资料,可利用井下巷道顶、底板岩层条件有效对近巷道煤层进行反射地震勘探。以淮南潘二煤矿某工作面煤层构造探测地震为例,通过地质条件分析,在煤层顶、底板的高抽巷道和底抽巷道分别设计二条测线,其中底抽巷道测线沿巷道顶板和两帮布置,高抽巷道地震测线沿巷道底板和两帮布置。由试验确定数据采集中的偏移距10m,道间距2m,炮间距2m。解释高、底抽巷的浅层地震剖面,发现异常断点7个。井下掘进揭露资料表明,对于断层及异常解释的准确率为80%。该勘探实例表明,当高、底抽巷与上下顺槽巷道相距20~60m时,获得的构造解释对生产指导意义重大。

综放开采煤层顶板离层积水涌突特征及防治关键技术研究

通过对大埋深巨厚煤层综放开采条件下多起异常涌突水事故的研究,发现了一种新的矿井涌突水致灾类型,即煤层顶板覆岩离层积水涌突灾害,并提出相应的水害预测预报系统和防治技术体系,在生产实践中得到推广应用。在研究陕西省黄陇侏罗系煤田永陇矿区崔木煤矿工作面顶板离层积水涌突水事故时发现:离层积水涌突具有突发性强、危害性大、防治困难等特点,积水离层主要发育在白垩系砂砾岩与侏罗系泥岩接触带以及白垩系下部砂砾岩段,离层积水的补给来源以白垩系砂砾岩地下水为主,离层积水形成、赋积和涌突受覆岩结构,破断特征,开采方式和采放高度、推进速度等多种因素控制。实践证明:离层水害防治,可采用地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔相结合的疏放手段,和以控制采高、推进速度、强化疏排为主要措施的综合防治技术体系;离层水害预警,可采用以监测孔水位、覆岩破断距、工作面来压、支架异常状态、围岩异常变化、瓦斯释放速率突增等为核心指标的联合预测预报系统。

深埋缓倾斜双煤层开采导水断裂带发育规律研究

为研究深埋缓倾斜多煤层开采导水断裂带发育特征,以石槽村煤矿2^(-1)煤和2^(-2)煤叠置开采区为研究对象,通过井下仰孔注水试验与数值模拟方法,对覆岩破坏及导水断裂带发育特征进行了研究。结果表明:在相同地质及开采条件下,采厚1.8 m的上覆2^(-1)煤和采厚3.4 m的下覆2^(-2)煤开采导水断裂带发育过程均可分为缓增阶段、突增阶段和稳定阶段,但2^(-2)煤导水断裂带发育速度大于2^(-1)煤导水断裂带发育速度;2^(-1)煤和2^(-2)煤层间距为11 m条件下,2^(-2)煤开采产生的复合导水断裂带高度大于2^(-1)煤开采导水断裂带高度;综合分析后确定石槽村煤矿多煤层重复采空区导水断裂带发育高度为49.6 m。

风沙滩地区中深埋厚煤层综采地表移动变形规律实测研究

为研究陕北中深埋厚煤层综采地表移动变形规律,以榆神矿区三期规划区中部的小保当一号井首采工作面(112201工作面)为研究区,通过地表移动观测、GNSS地表移动自动观测和理论分析相结合等方法,研究了地表移动变形特征,获取了相关移动变形参数和采动地表裂缝发育规律。结果表明:112201工作面回采后地表最大下沉量为3840 mm,最大下沉系数为0.66;地表移动变形持续时间约1.5年,其中启动阶段历时18 d,活跃阶段历时110 d;活跃阶段前期的43 d是地表的集中变形期,累积地表下沉量达到地表总下沉量的91.4%;112201工作面回采诱发的地表裂缝整体发育程度弱,相对而言,切眼上方地表裂缝发育程度最强,巷道上方地表次之,面内采空区上方地表最弱;工作面内采动地表裂缝滞后回采位置发育,且裂缝宽度随回采表现出先增大后减小的"单峰"动态特征,同时动态变化特征与地表下沉速度具有耦合同步性。