Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coalcaving method

Accidents such as support failure and excessive deformation of roadways due to drastic changes in strata behaviors are frequently reported when mining the extra-thick coal seams Nos.3e5 in Datong coal mine with top-coal caving method,which significantly hampers the mine's normal production.To understand the mechanism of strata failure,this paper presented a structure evolution model with respect to strata behaviors.Then the behaviors of strata overlying the extra-thick coal seams were studied with the combined method of theoretical analysis,physical simulation,and field measurement.The results show that the key strata,which are usually thick-hard strata,play an important role in overlying movement and may influence the mining-induced strata behaviors in the working face using top-coal caving method.The structural model of far-field key strata presents a 'masonry beam' type structure when'horizontal O-X' breakage type happens.The rotational motion of the block imposed radial compressive stress on the surrounding rock mass of the roadway.This can induce excessive deformation of roadway near the goaf.Besides,this paper proposed a pre-control technology for the hard roof based on fracture holes and underground roof pre-splitting.It could effectively reduce stress concentration and release the accumulated energy of the strata,when mining underground coal resources with top-coal caving method.

深部煤层近井激光热裂机理及工艺参数优化

中国深部煤层气资源丰富,是煤层气进一步开发的重要领域,但深部煤层气地质条件复杂,具有低孔、超低渗特征。在钻井过程中,钻井液进入储层易造成近井污染,常规水力压裂技术趋于在最大水平主应力方向造缝,全井眼的解堵困难。激光热裂技术具有短时间破裂岩石、同时通过机械设备调控能自由改变激光照射角度,形成径向裂缝、解决近井污染等优势。使用ABAQUS有限元软件,建立激光热裂煤层模型,探讨激光热裂机理及激光工艺参数的影响。分析裂缝长度与数量的变化规律,优选出解决现场近井污染区域的最佳激光参数。结果表明:(1)激光照射热裂煤层是使煤层表面存在温差而产生热应力导致煤层破裂。(2)裂缝数量与激光功率、激光照射煤层的时间呈正相关,激光功率由400 W增大到1000 W时,裂缝数量由10条增加到37条;激光功率600 W时,照射时间由1 s增至15 s,裂缝数量由24条增至36条;裂缝数量与激光频率呈负相关,随着激光照射煤层距离增大先增大后减小,照射距离为10 cm时产生裂缝数量最多。(3)裂缝长度与激光功率、照射煤层时间以及激光频率呈正相关,与照射煤层距离呈负相关,其中激光照射时间影响最明显,照射时间1 s时裂缝长度为1.52 mm,照射时间增加到5 s时裂缝长度激增为57.6 mm。以陕西韩城深部取心样品为例,激光热裂深部煤层2 m范围内的近井污染最佳激光功率为20 kW,最佳激光照射时间为2280 s。相较于水力压裂,激光热裂煤层能形成更加复杂的裂缝,但形成的裂缝长度较小,实际应用中,建议将水力压裂技术与激光热裂技术相结合,以实现解堵和增渗的目的。

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。

近直立煤层上覆煤柱下巷道冲击地压防治研究

以近直立特厚煤层终采线保护煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施,得出如下结论:巷道掘进影响了煤柱区域应力状态,增加终采线煤柱区域应力集中区的范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施掘进面密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全的通过煤柱影响区域。这为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

宝日希勒露天矿端帮高位煤层靠帮回采技术研究

现阶段近水平复合煤层露天矿端帮靠帮回采建设过程中,仍然存在局限,只是研究了下部煤层的回采,对于高位煤层的回采难度较大,研究较少,因此,为了能在近水平复合煤层中进行高位煤层的回采,通过分析宝日希勒露天矿边坡工程地质情况和地层赋存特点,利用FLAC^(3D)构建端帮三维数值模拟模型,计算了借助内排土场平盘靠帮回采高位煤层1-2煤时换填步距与边坡稳定性的关系,设计确定了靠帮回采高位煤层1-2煤边坡稳定性控制技术及相应的靠帮回采方案。研究结果表明:端帮1-2煤高位煤层靠帮回采换填步距不超过80 m,端帮1-2高位煤层靠帮回采时,借助于发展到1-2煤台阶底板上的内排土场平盘布置设备进行靠帮回采,回采方式为分层捣运、内排追踪回填。全区靠帮回采可多回收1-2煤2.260×10~7 t,取得49.72亿元的经济效益。

近直立煤层冲击危险静动态评价方法研究

现有冲击地压危险评价方法以采掘前揭露的地质条件和开采技术条件为依据,属于静态评价,评价结果与真实情况存在差距,如何与采掘过程中的监测数据相结合得到更加符合实际的评价结果是需要进一步解决的问题。为此,综合地质及开采条件和监测数据,提出了一种冲击地压危险静动态耦合评价方法,并在典型近直立煤层工作面进行了应用。首先,通过改进综合指数法提出工作面采掘前静态评价方法,包括将综合指数法包含的评价指标进行线性归一化得到单指标危险指数,利用层次分析法对各评价指标赋权,通过加权求和分别得到地质因素和开采技术因素确定的危险指数,然后将两个危险指数加权平均得到静态评价危险指数;其次,利用监测数据构建了采掘过程中动态评价方法,包括根据微震和钻孔应力监测特点及其与冲击危险性的关系,构建了微震能量密度和钻孔应力变化率作为动态评价指标,将评价指标线性归一化分别得到震动场评价指数和应力场评价指数,将两者加权平均得到动态评价危险指数;最后,利用加权平均法将静态评价危险指数和动态评价危险指数进行耦合叠加得到耦合评价危险指数,根据该指数来确定危险等级和危险区域。上述方法在乌东煤矿+450B3+6工作面的应用结果显示,静态评价方法在工作面回采前划定4个中等冲击危险区和1个弱冲击危险区,动态评价方法判定工作面回采过程中岩柱侧具有较高冲击危险性,静动态耦合评价将静态评价的部分弱冲击危险区再评价为中等冲击危险区;通过工作面回采过程的支架压力监测数据、数值模拟结果和冲击地压显现事件对评价结果进行了检验,发现静动态耦合评价结果更符合现场实际。研究成果为冲击地压危险评价提供了一种新方法和新思路。

近距离煤层开采过上覆采空区影响分析

为了解近距离煤层过上覆采空区顶板位移应力变化情况,以补连塔煤矿12415综采工作面过上覆11401采空区为研究对象,采用FLAC^(3D)数值模拟及理论计算分析12415综采工作面过上覆11401采空区对底板破坏深度计算及开采下位煤层顶板应力分布分析。研究结果表明:理论计算得出11^(#)采空区底板破坏深度为2.93 m;受采空区影响,12^(#)煤层水平范围为10.73 m,通过FLAC^(3D)数值模拟软件模拟下位12415工作面开采经过上位11401工作面采空区,得出受上位煤层遗留煤柱影响的顶板应力集中系数最大仅为4.1,最大垂直应力为20.2 MPa。

基于瞬变电磁法的近直立特厚煤层卸压效果评价研究

现有的卸压效果评价研究多针对于倾斜或缓倾斜煤层,对近直立特厚煤层的适用性尚不明确,近直立特厚煤层进行卸压爆破后其卸压效果难以判断。以乌东煤矿南采区B3+6煤层为工程背景,结合现场监测和理论分析,利用瞬变电磁法研究近直立特厚煤层卸压效果,发现实施深浅孔卸压爆破和煤层注水等措施后的卸压区与未卸压区域相比,顶板视电阻率降低50%~58.33%、煤层降低28.57%~42.86%、底板降低70%~80%。表明煤岩体裂隙发育程度增大、围岩承载载荷的能力降低,不易发生应力集中现象,卸压效果良好。

小保当一号煤矿采空区垂直漏风规律研究

小保当一号煤矿112207工作面埋藏浅、易自燃,受采动影响极易形成裂隙与地表沟通,给工作面煤自燃防治带来了压力。为保障煤矿安全生产,更好地开展小保当一号煤矿112207工作面自燃的防治工作,利用SF_(6)示踪气体检漏技术,对112207工作面进行现场漏风观测,分析得出其地表垂直漏风规律,采空区对应地表漏风范围工作面后240~466 m;通过计算得到,采空区对应地表位置沿工作面倾向距回风巷越近,漏风程度越大;沿工作面走向距工作面越远,漏风程度越小;相邻采空区之间存在内部水平漏风,根据所得规律提出相应的漏风控制措施,降低采空区外部漏风的可能性。

松软煤层近水平孔解卡机理研究

为了减少松软煤层卡钻事故的发生,分析了近水平孔卡钻的原因及卡钻的形成过程,并建立了各阶段的卡钻力学模型。通过对卡钻主要影响因素的分析,得出解卡的关键在于减小岩屑堆积的密实度和提升排渣效率,以此指导了L型螺旋槽钻杆的结构及功能设计。通过对U型槽螺旋钻杆、三棱钻杆和L型螺旋槽钻杆的排渣性能进行试验对比,验证了L型螺旋槽钻杆的排渣性能最优。通过现场试验验证了L型螺旋槽钻杆较市场上常用的U型槽螺旋槽钻杆更优。

近直立特厚煤层上覆煤柱下巷道掘进冲击地压防治实践研究

以近直立特厚煤层终采线煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施。研究发现,巷道掘进影响了终采线煤柱区域应力分布状态,增加了终采线煤柱区域应力集中范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施迎头密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全通过煤柱影响区域,为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

近水平煤层井上下微震联合监测技术及应用

准确探测顶板岩层微震活动位置,尤其是震源垂直定位位置是了解覆岩空间结构特征的重要依据,对实现冲击地压精准防控具有重要意义。受限于软件算法和近水平煤层工作面测站布置方式,井下传统微震监测系统测得微震事件垂直方向定位精度低,无法满足覆岩结构运移精准监控的需求。鉴于此,在井下微震监测系统的基础上,增加地面监测台站,构成井上下微震联合监测系统,并在石拉乌素煤矿3111盘区开展工程示范。数据分析可知,井上下微震联合监测系统对能量大于1.0×10^(3)J的微震事件监测效果更佳,监测到的微震事件高程平均比井下传统微震监测系统高35.2 m,震源定位结果普遍跟矿井实际条件更加贴合,表明增加地表监测台站可有效提高震源垂直定位精度。研究成果对实现近水平煤层覆岩空间结构精准探测提供经验借鉴和指导。

近水平煤层开采的裂隙发育规律研究

采用离散元数值模拟实验方法,对陕西省铜川市一典型近水平煤层开采的裂隙发育规律进行研究。结果表明:裂隙带发育高度受工作面长度与煤层埋深两个因素的影响作用明显,同一近水平煤层的工作面越宽,裂隙发育越高;埋深达到600m以上,裂隙发育高度明显大于以往的理论经验计算结果,且3-2煤层工作面较宽的2302工作面采后裂隙发育高度明显大于位于煤层上部区域的2301工作面。这充分说明,同一近水平煤层的工作面宽度越宽,采后裂隙发育越高。希望所述内容能够为研究相似的近水平煤层工作面开采下的裂隙发育问题提供借鉴。

褶曲构造影响区内工作面开采诱冲机理及其防治研究

针对褶曲构造影响区内不同工作面的倾角变化所引起的矿压显现特征多变性问题,以宝积山煤矿七采区为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的方法,对倾角变化煤层内不同工作面开采期间动静载荷进行了研究。结果表明:①煤岩组合系统刚度值大于0的累积声发射(AE)能量较煤岩组合系统刚度值小于0的累积AE能量小,说明煤岩组合系统刚度值小于0时更易累积AE能量,且在煤岩组合系统刚度值小于0时,其绝对值越大越能够积聚更高的AE能量。②随着煤层倾角递增,沿空巷道实体煤侧内集中静载荷降低,煤柱侧内集中静载荷增高,高位厚硬关键层发生破断所需悬顶段更长。③煤层倾角较小时,动静载叠加作用下沿空巷道两帮内煤岩组合系统极易诱发动态破坏II型冲击地压。煤层倾角较大时,高集中静载作用下沿空巷道煤柱侧内煤岩组合系统极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压。④705综放工作面开采期间沿空巷道煤柱侧极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压,对其实施防冲措施后的电磁辐射值降幅高达67.3%,煤岩组合系统不易诱发冲击地压。

近水平复合煤层露天矿中间搭桥内排运输系统优化

对于近水平复合煤层露天矿,为发挥其开采优势,开采工作线长度一般较大,从而导致内排运距较大。为解决该问题,提出在采场中部进行迈步式搭桥的内排方案,并针对保留端帮运输通路前提下的中间搭单桥、双桥2种开采方式分别建立了内排运距计算模型;利用成本补偿法,分别给出了2种搭桥方式所节约成本的计算方法;以某露天煤矿为例,分别计算2种方式的经济效益,并给出搭桥方案的适用条件。研究结果表明:当一次移设范围内剥离物总量大于桥体二次剥离量4.17倍时,经济上具备实施搭桥内排运输方案的条件;当该范围内剥离物总量超过桥体二次剥离量33.89倍时,搭双桥方案更具合理性,即该露天矿采用搭双桥方案经济效果明显;运距节省原则下,中间搭桥宜设置在最下1个排土台阶标高处,服务水平为最下部3个排土台阶。

乌东煤矿近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱回采方法及应用

针对乌东煤矿近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱安全回采问题,分析了上覆高阶段煤柱回采条件,提出了上覆高阶段煤柱回采处理方案,开展了近直立特厚煤层综放工作面回采高阶段煤柱工程实践。研究结果表明,在上覆高阶段煤柱中部专用爆破巷对煤柱进行预裂爆破,并在煤柱底部布置综放工作面对高阶段煤柱进行回采,解决了近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱安全回采难题,消除了高阶段煤柱的安全隐患,为矿井+564 m分层以下深部资源开采创造了条件。

近距离煤层下行开采矿压显现规律相似模拟研究

为了研究近距离煤层下行开采的矿压显现规律,采用相似模拟的研究方法,以木瓜煤矿西二盘区煤层赋存特征为原型,以实验室测得的煤层及围岩物理力学参数为基础,在实验室模拟下行开采近距离煤层,得出了近距离煤层开采上覆岩层移动特征和矿压显现规律,主要表现为下煤层开采过程中工作面压力大,来压周期性不明显及垮落角大于上层煤等特点。

平四矿近距煤层上行开采研究

在对煤层赋存条件进行分析的基础上,根据平四矿己16煤层的采动覆岩裂隙发育规律,阐释了近距煤层上行开采机理,分析了上行开采可行性的判别准则.采用数值计算软件UDEC,分别建立了煤层开采走向和倾向模型,计算并分析了己16煤开挖后不同层位覆岩的变形状况及其影响范围.模拟结果表明,先采己16煤后,己15煤的倾斜值即其台阶下沉量比较小,未超过煤厚之半(750 mm),除工作面两端头对应区域外,煤层表现的很连续.同时表明,下煤层的开采对上煤层的破坏程度在走向方向上比在倾斜方向上大.模拟结果与工程实践情况相符,并经两工作面应用,证明上行开采是可行的,并采用国产设备成功解决了上煤层的薄煤层综合机械化开采.

极近距离煤层同采工作面合理错距的确定

结合天悦煤矿4.0 m极近距离煤层赋存特点,通过现场矿压监测得出上下层煤支承压力分布规律及围岩破坏特点。并对下层煤提出减压区开采和稳压区开采2种开采方式,最终通过理论分析及数值模拟方法综合对比研究,确定合理错距。