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。

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。

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。

近直立特厚煤层分段开采覆岩垮落规律研究

近直立特厚煤层由于其特殊开采方式,导致采空区的覆岩垮落与裂隙发育规律较水平煤层不同。利用相似材料模拟试验研究了近直立煤层采空区覆岩垮落规律,然后利用PFC^(3D)软件模拟了不同水平分段开采稳定后的地表沉降和裂隙发育情况,分析了空隙率演化规律,并进一步探究了地表沉降规律。相似材料模拟试验发现,随着分段开采的进行,上覆岩层逐渐垮落,首先形成“U”形区域,最终形成“V”形的垮落结构;随着开采的进行,采空区两端所留的少量空间逐渐消失,采空区裂隙与地表连通,形成采空区漏风通道;采空区的空隙率稳定在0.30~0.65,顶、底板侧裂隙的空隙率逐渐增加,最终稳定在0.30左右;垮落后地表沉降范围宽度由92.93 m缓慢增加至100.16 m,深度由27.85 m大幅增加,最终稳定在101.63 m。研究结果可为近直立煤层的开采设计及安全生产提供参考。

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。

近直立煤层采动裂隙渗流及动态涌水量预测研究

针对近直立煤层赋存条件,采用理论分析、数值模拟与工程验证相结合的方法,建立水文地质模型,提出一种多涌水来源下近直立煤层露天转井工开采动态涌水量计算方法。研究结果表明:近直立煤层露天转井工回采条件下,露天采坑内松散堆积体的持续补给量不容忽视;定义了采场“采坑充水—下渗补给—再充水—再补给”的浅部开采补给特征和“基岩含水层储量释放与垂向露天采坑水补给相结合”的深部开采补给特征;以青海先锋煤矿为例,开展了矿井涌水量动态计算,并与实测结果进行对比验证,验证方法可行。

近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究

目前近直立煤层开采冲击地压防治措施主要有爆破、水压致裂、建立保护层等,或破坏层间岩柱和顶底板,或难以解决大采深情况下的层间岩柱应力集中问题,且会导致较大的地表沉降。以乌东煤矿为工程背景,针对近直立煤层群水平分段综放开采方法,提出了充填采空区技术,以支护层间岩柱及顶底板,降低开采分段周围煤岩体的应力集中现象。设计了3种充填方案:方案1为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段采用普通材料充填;方案2为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段交替采用高强度材料和普通材料充填;方案3为每一分段采空区均使用高强度材料充填。通过数值模拟研究了3种充填方案的卸压防冲效果,结果表明:与未充填相比,3种充填方案下层间岩柱最大垂直应力分别下降25.07%,26.57%,29.23%,下一分段煤体最大水平应力分别下降10.63%,10.79%,12.34%。综合考虑卸压效果和经济效益,优选间隔充填的方案3。指出可结合高应力区域实时智能监测技术,及时支撑层间岩柱,减少层间岩柱及下分段煤体的应力集中,防止冲击地压发生。

浅埋房柱近距离煤层安全开采顶板应力控制

韩家湾煤矿2-2煤层采用房柱式开采方式,煤柱在底板形成集中应力,使3-1煤层的开采产生一定的安全隐患。为解决近距离煤层安全开采厚硬岩层顶板聚集较大能量,可能诱发大面积压架或矿震的问题,实现韩家湾煤矿下组煤三盘区3-1煤层的安全开采,采用水力压裂技术对致密厚岩层进行弱化。在分析覆岩特征及潜在顶板灾害特征的基础上,基于三盘区下组煤开采过程中对上部2-2煤层遗留条带煤柱与房柱煤柱的扰动机理,设计采用长水平孔区域压裂技术对2-2煤层的2处大巷煤柱区域进行水压致裂,初步提出了区域压裂技术参数、定向长钻孔压裂工艺。

近距离煤层巷道掘进影响因素及技术优化

针对近距离煤层采空区条件下存在难掘进、顶板易出现破碎、两帮易出现垮落的现象,采用层次分析法及巷道围岩变形现场试验,对韩城矿区下峪口煤矿近距离煤层巷道掘进影响因素分析及支护技术进行研究。结果表明,巷道快速掘进因素重要度排序依次为巷道掘进工艺B2>围岩地质因素B1>劳动组织形式B3>巷道掘进设备B4>机械故障B5,且巷道掘进工艺及围岩地质因素是主要影响因素。在此基础上,提出锚网索+U型棚的支护方式,通过现场试验对23306下进风顺槽进行了表面位移观测,发现该段巷道表面位移基本能保持平稳且变形量显著降低,巷道顶底板变形量不超过450 mm,两帮变形量不超过350 mm。采用该支护方式可使巷道围岩变形稳定,为类似条件矿井安全高效生产提供经验和参考。

近距离煤层及上覆煤柱协同开采技术实践

封闭煤层的开采会保留大量总宽度为30~40 m的断面煤柱,造成了煤炭资源的巨大浪费,并存在自燃、失稳和破坏剩余煤柱的风险。通过数值模拟,研究了下煤层巷道与上覆煤柱水平距离(即间距)对巷道围岩控制和合理布置的影响,分析了上覆煤柱宽度对采场地压和煤柱回采率影响的机理。东周窑煤业公司的实践表明,当水平间距由0 m增大到15 m时,巷道围岩变形量、围岩应力峰值、塑性区面积均显著减小;当上覆段煤柱宽度由25 m增加到40 m时,采场横向应力峰值和超前轴承应力峰值分别下降21 MPa和12 MPa,采场地压驱动强度显著降低,煤层间覆岩和煤柱回收率分别提高7.45%和4.29%。结合顶柱放煤方式,提出了优化的概念和实现方法。

缓倾斜煤层临空巷道冲击地压防治研究

针对在缓倾斜煤层中工作面临空侧巷道的冲击矿压问题,研究分析了影响临空侧巷道冲击地压的主要因素,采用仿真模拟得出了远场矿震和近场强矿震作用下临空侧巷道的动载作用过程。通过实际应用表明:采用顶板预裂爆破、大直径钻孔卸压和煤体爆破卸压等综合防治措施,结合“锚索+双网+大托盘”的联合支护方式后,104 J以上大能量事件发生频次降低了50%以上,周期来压步距平均值由17.84 m降至11.98 m,来压范围减少了50%以上,有效降低了临空侧巷道冲击地压风险。

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。

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。

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.

井上下微震联合监测震源垂直定位精度优化研究

震源垂直定位位置是煤矿冲击地压机理研究的重要基础数据,对冲击地压灾害的监测与防治研究具有重要意义。对于近水平煤层工作面,由于各微震台站之间高差较小,导致在进行震源定位计算时,震源参数的偏微分矩阵接近奇异,迭代计算无法收敛到准确解。对台站合理高差和无高差两种情况下的煤矿微震台网进行仿真模拟,结果表明当台网内台站处于同一水平面时,震源垂直位置的定位误差较大。为了解决这个难题,笔者在井下微震监测台站的基础上,增加了地面微震监测台站,形成井上下联合监测台网,有效优化了微震监测台网的空间结构,尤其是台站在垂直方向上的分布效果。对红庆河的微震数据进行分析可知对于2次方的微震事件,井上下联合监测系统的监测效能可达90%,3次方及以上的微震事件可达100%。通过对比10组井下断顶爆破引发的微震事件数据,发现井下微震监测系统定位结果基本位于煤层上方30 m的封孔范围内,井上下微震联合监测系统定位结果基本位于煤层上方30~60 m的爆破孔装药长度范围内;与单纯利用井下监测台站的定位结果相比,井上下微震联合监测系统的定位结果普遍距离真实震源更近,表明地面监测台站的加入有效提高了震源的垂直定位精度,解决了近水平煤层微震事件垂直定位误差较大的问题。

近浅埋煤层软岩条件下综采工作面顶板破断规律

为了研究软弱围岩条件下综采工作面顶板运移规律,依据现场工程地质特征,采用数值模拟、相似材料模拟对工作面破断过程进行了研究。通过相似模拟实验,确定了直接顶与老顶的构成和工作面来压步距,分析了近浅埋煤层软弱覆岩条件下矿压演化规律。通过数值模拟,分析了软弱覆岩条件下覆岩应力分布特点和支承压力特点,为工作面支架选型、现场工程管理提供依据。

东荣二矿采动回采巷道围岩控制技术

以东荣二矿为工程背景,采用理论分析、实验室试验、现场工业试验相结合的方法,通过对采动回采巷道围岩控制技术的研究分析,归纳提出了适应于东荣矿区煤层地质及生产技术条件的采动回采巷道围岩控制技术,解决了东荣二矿在生产接续形势紧张的情况下,出现的采动回采巷道围岩控制技术难题,保证了东荣二矿的正常生产。

近距离煤层采空区下片帮冒顶控制技术

针对黄白茨近距离煤层开采,下层煤1016工作面回采时由于受0916,0918工作面采空区集中应力和上层遗留煤柱影响,经常发生片帮冒顶等严重现象,采用滑移线场理论分析对下位煤层影响范围与现场实测等研究方法探讨片帮冒顶原因,通过以护为主、控制支架仰角、合理进刀、调整平衡千斤顶等综合预防措施和片帮冒顶针对性的处理手段,实现了安全回采,取得较好效果。