Overburden fracture evolution laws and water-controlling technologies in mining very thick coal seam under water-rich roof

Considering the danger of water inrush in mining very thick coal seam under water-rich roof in Majialiang Coal Mine,the universal discrete element(UDEC)software was used to simulate the overburden fracture evolution laws when mining 4#coal seam.Besides,this study researched on the influence of face advancing length,speed and mining height on the height of the water flowing fractured zones(HWFFZ),and analyzed the correlation of face advancing length and change rules of aquifer water levels and goaf water inflow.Based on those mentioned above,this research proposed the following water-controlling technologies:draining the roof water before mining,draining goaf water,reasonable advancing speed and mining thickness.These water-controlling technologies were successfully used in the feld,thus ensured safely mining the very thick coal seam under water-rich roof.

基于瞬变电磁法的煤层风氧化带探查

煤层风氧化带的发育对煤矿的生产组织和安全回采影响巨大,针对准格尔煤田东部隆起带煤层风氧化带圈定的技术难题,研究了瞬变电磁法探查煤层风氧化带的可行性。首先对研究区正常地层与煤层风氧化区的电阻率测井曲线进行了分析,总结了正常区与煤层风氧化区的电性差异,并以电阻率测井曲线构建了煤层风氧化区地电模型;然后采用MAXWELL软件对理论模型的瞬变电磁响应进行了数值模拟,发现在煤层风氧化区瞬变电磁反演电阻率断面表现为浅部低阻层变厚、低阻异常幅值减小的异常特征,可以以此来圈定煤层风氧化区的分布范围;最后在数值模拟的基础上,在串草圪旦煤矿开展了现场试验,结合钻探情况对试验数据从瞬变电磁反演电阻率断面和平面2个角度进行了分析,结果表明瞬变电磁法探测划分风氧化带是可行的。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

复合再生顶板条件下煤体固化与顶板强化技术研究及应用

为提升复合再生顶板工作面的安全性和回采效率,在平煤十二矿己16-17-31020复合再生顶板工作面开展了煤体注水固化、顶板注浆强化和管缝锚杆顶板强化试验,探索了复合再生顶板工作面矿压显现规律,评价了加固措施的支护效果。研究结果表明:加固措施实施后,工作面完整度大幅提升,降低了顶板冒落和压架等事故风险;平均来压步距由22.15 m增加至29.92 m,顶板压力由25~31 MPa降到19~26 MPa。顶板下沉量降低了50.4%,保证了工作面的正常安全回采,同时进尺速率提升了16.7%。煤体固化-顶板强化措施取得了良好的效益,可为同类型复合再生顶板工作面提供借鉴。

近距离煤层采空区下淋水巷道稳定性分析

为研究近距离煤层采空区下淋水巷道稳定性,以石槽村矿220605工作面运输巷为研究背景,通过实验室测试,现场监测与数值模拟相结合方法,开展淋水顶板巷道稳定性研究。研究结果表明:(1)淋水巷道顶板黏土矿物中富含高岭石、蒙脱石、伊利石以及绿泥石,遇水后会迅速膨胀并逐渐流变破碎,从而导致围岩滑移。(2)水软化岩石初期,其峰值强度显著减小,且在破坏前、后表现出波浪式的承载特性。顶板岩石含水率从干燥增长至近饱和状态时,抗压强度、弹性模量、内摩擦角、黏聚力分别减小88.56%、62.45%、33.81%和58.54%。(3)水作用下的巷道塑性破坏主要为剪切破坏;随着围岩含水率的增大,顶底板塑性破坏范围变化不大,但顶板在水软化效应的承压能力不断削弱,两帮间接承压力明显提升,塑性破坏范围变化趋势为先线性增大而后趋于稳定。

缓倾斜煤层开采底板破坏深度数值分析研究

研究煤层开采过程中底板破坏深度对防治矿井底板水害具有重要意义,数值模拟避免了因现场条件复杂而无法进行实测的情况,可以在煤层开采前模拟和预测破坏深度,为开采工作提供参考。以梁北煤矿32021工作面为例,基于统计规律的经验公式进行了理论计算,得到的底板破坏深度分别为27.05 m、25.63 m、23.56 m,其中,考虑采深和煤层倾角的27.05 m更接近实际情况。使用FLAC^(3D)进行数值模拟,模拟并分析了工作面推进过程中的应力变化规律和底板破坏深度。在数值模拟的过程中,煤层底板的垂直应力变化结果表明,随着工作面不断推进,顶底板应力增大,采空区两端出现应力集中现象,影响范围不断增大,同时底板破坏深度也会随之增加;煤层底板的塑性破坏结果表明,底板破坏深度随工作面的推进而不断增大,当工作面推进至100 m时,底板破坏深度达到最大,之后破坏深度保持不变,破坏范围会一直随之增加;工作面推进100 m时,煤层底板下不同深度的塑性破坏结果表明,随着深度增加,破坏范围不断减小,可判断出煤层底板最大破坏深度约为25.9 m。

煤层顶板含水岩性层划分与富水性评价方法

为指导疏放水钻窝及钻孔布置,确定煤层顶板垂层与顺层面上的富水层位与区域,开展顶板含水岩性层划分与富水性评价。以东欢坨矿-950水平8煤顶板为研究对象,基于钻孔资料数据,建立了含水岩性层划分依据、富水性评价指标与方法。结果认为以钻孔信息中的岩性、地层结构完整性及泥浆漏失量作为含水岩性层划分的依据,以分层厚度、中粗粒砂岩与裂隙岩厚度及受顶底板隔水层限制的情况作为富水性评价指标,进行含水岩性层富水区评价与分区,能够为疏放水钻窝及钻孔指明合理的布设位置与终孔层位,经受实践应用检验。

新疆侏罗系煤层地下“水库”型水害防治实践研究

新疆地区侏罗系含煤地层广泛发育,其水害防治逐渐成为影响煤炭资源勘探开发的关键问题。通过对新疆侏罗系含煤地层赋存特征的总结分析,探讨了煤矿水文地质特点及水害要素,结合火烧区积水和老空区积水防治案例,提出地下“水库”型水害防治方案。研究表明,新疆地区探明矿区主要集中在6个片区,侏罗系煤层开采直接充水含水层主要为顶底板碎屑岩孔裂隙含水层,富水性弱,但在火烧区、老窑和采空区、断层破碎带易形成积水区,造成地下“水库”型水害。通过防治案例发现,采用地面物探和钻探验证确定积水区,利用井上下钻孔疏排的方式可以较好地解决水害威胁,确保煤矿安全生产。

东曲矿预留钻孔疏放28206工作面老空积水技术研究

近距离煤层群开采时,上部煤层开采后形成的采空区积水是威胁下部煤层安全开采的主要因素之一。针对传统采空区积水的防治方法存在一定盲目性,导致工程量通常较大的情况,本文根据东曲矿28206工作面和29206工作面是近距离煤层开采的具体情况,提出在28206工作面开采时预留疏水钻孔,对工作面低洼区域采空区积水进行监测和有序疏放,最终保证了下部29206工作面的安全开采,为类似近距离煤层群防治采空区积水提供了经验借鉴。

多煤层复合采动顶底板裂隙带发育规律研究

基于友众煤矿多煤层复合采动顶底板裂隙发育情况,分别采用理论计算、数值模拟和钻孔实测等方法进行研究,计算统计出150202工作面顶板垮落带发育高度分别为40.11~63.09 m、50.2 m、54~57 m,3种方式结果变化范围基本一致。结合矿井地质条件和研究结果可知,15号下煤层采动裂隙带在无构造区域内不会导通上覆3号、6号含水层,在贯穿性断层或陷落柱赋存区域内存在联通导水的可能性。因此,煤矿制定“物探先行、钻探验证、查清构造、上防下采”的防治水原则,为相关类型矿井生产提供依据。

基于EW-FAHP-GIS耦合的煤层顶板富水性评价

以薛虎沟煤矿10号煤层为研究对象,在分析煤层顶板富水性影响因素的基础上,运用熵权(EW)与模糊层次分析(FAHP)综合赋权法建立了顶板含水层富水性的脆弱性指数模型,基于地理信息系统(GIS)对煤层顶板含水层富水性进行评价。研究表明,10号煤层顶板含水层富水性的主控因素为含水层厚度、岩层脆塑性比、钻孔取芯率、钻孔漏失量和岩石质量指标,并建立了相应的脆弱性指数模型,据此进行K2含水层富水性评价,划分了富水性分区,为煤矿制定和实施合理的防治水规划提供科学依据。

高水充填留巷技术在综采工作面应用研究

为实现30505综采工作面回风巷高效安全留巷,针对回风巷顶板坚硬、采面矿压显现明显以及开采煤层瓦斯含量高、具有自燃发火倾向等问题,提出将高水充填留巷技术应用到30505回风巷留巷中,并通过切顶卸压方式为留巷段创造相对良好应力环境。对切顶卸压技术及高水充填留巷技术布置方案进行详细分析,并进行工程应用。现场应用后,30505回风巷留巷段围岩变形量及漏风量风均较小,取得较好留巷效果。

煤层顶板含水层富水性评价及涌水量预测

为进一步探究煤矿煤层顶板含水层富水性及涌水量特征,为煤矿开采工作提供安全保障,以某煤矿开采过程中存在的涌水量较高问题为研究内容,综合应用AHP层次分析法与基于GIS的多源地学信息复合叠加的“富水性指数法”,对煤层顶板含水层富水性进行评价;应用“大井法”对涌水量进行预测,并证明该预测方法的准确性。结果表明,该预测方法具有一定的现实应用价值。

基于灰色关联与主成分分析法富水性的相关性研究

在收集新汶煤矿、新泰煤矿等鲁中、鲁西的煤层顶板砂岩涌水案例的基础上,为确定各评价指标(含水层厚度、砂泥比、钻孔浆液消耗量、断层分维值)对煤层顶板砂岩含水层富水性的相对重要性,基于灰色关联分析法(GRA)与主成分分析法(PCA)两种方法,研究得到主控因素与含水层富水性之间的相关性结果,用于相对客观地评价预测煤层顶板含水层的富水性。

山东省宁汶煤田鑫安煤矿3煤层开采水害隐患分析

为了查明鑫安煤矿开采3煤层的水害隐患类型,分析水害对矿井的潜在威胁和空间分布特征,采用现场质询、资料收集、井下踏勘的方法,逐一分析了煤矿大气降水及地表水、第四系砂砾层、新近系砂砾层、白垩系砂岩、3煤层顶底板砂岩、三灰、十下灰、奥灰、老空积水对3煤层开采的影响,排查分析出影响3煤层开采的水害隐患类型为3煤层顶底板砂岩、奥灰水和老空积水;采用“采后导水断裂带内含水层总厚度值”和“突水系数法”对开采3煤层的顶板砂岩充水危险性和底板奥灰突水危险性进行等级划分。研究分析出开采3煤层水害隐患的空间分布特征为3煤顶板水害主要影响矿井中部、老空水主要影响矿井浅部、奥灰水主要影响矿井东部。

矿山采动突水危险源划分与致灾危险性评价研究

为了实现工作面开采过程中对煤层顶底板突水危险性进行动态评价,依据西北型、华北型煤矿区水文地质结构、突水主控因素、突水致灾模式、水害类型的分析,建立了水源、通道和采动三准则来表征煤层顶/底板突水危险源与致灾危险性之间的关联,构建了煤层顶/底板突水危险性的关键危险源的评价指标体系,将指标体系中随着工作面开采具有动态变化的指标因素(含水层水压、应力-应变、导裂带高度/破坏带深度)作为危险源动态特征辨识的目标,建立多场-多参数的工作面突水危险性动态评价概念模型,提出了矿井突水的临界判别准则,依托深度学习/强化学习的海量参数分析计算能力,为煤层顶/底板突水危险性动态评价分区提供理论支撑。

弱固结地层特厚煤层综放开采覆岩破坏及水害防控研究

为解决多重含水层下弱固结特厚煤层水害防治问题,本文采用类比分析法、数值模拟法和相似模拟法,研究了灵东煤矿采空区下Ⅱ3特厚煤层顶分层开采的覆岩破坏特征,分析了导水裂缝带发育特征,提出了“物探+钻探”的方式提前疏放导水裂缝带内含水层的控水采煤方法。研究结果表明,位于Ⅱ3特厚煤层上覆的Ⅱ2特厚煤层回采时,覆岩破坏呈现“阶梯式”垮塌特征,Ⅱ3特厚煤层顶分层回采时,在工作面初次来压后,覆岩呈现出与Ⅱ2-1煤层层间岩层同步协调弯曲下沉的现象;预计导水裂缝带未波及Ⅱ2-1煤层采空区,采用“音频电透视+瞬变电磁”探测得出一含、二含(1)的采空区的富水异常区,重点针对富水异常区进行钻孔探测,兼顾非富水异常区,最终实现了首采工作面的安全回采。

黄陇煤田厚层砂岩水害精准注浆防治水技术研究

近年来,随着我国西部侏罗纪煤炭资源的大规模开发利用,煤层顶板水害影响与威胁日益显现。为阻截煤层上覆含水层中水下泄,以实现井下目标区域内堵水、减水,提出了一种秉持“保水采煤”理念,以精细探查为基础,以精准注浆为主要工程手段的厚层砂岩水害顶板防治水技术方法,并在黄陇煤田高家堡煤矿进行了应用。首先,优选出了自然伽马曲线(GR)为能够区分研究区砂、泥岩的敏感曲线,利用波形指示反演精细解释了煤层上覆岩层的岩性展布形态。在岩性解释的基础上结合抽水试验结果,分析了研究区上覆地层不同含水层的响应特征,综合岩性、泥质含量(VSH)、自然电位(SP)以及孔隙度(POR)刻画了煤层上覆地层的富水性分布特征,解释成果表明对煤层开采隐患最大的为洛河组中段(K_(1)lm)上层,该区域岩层主要为中粗粒砂岩,为中等−强富水含水层。然后,利用多属性融合技术对煤层上覆岩层中原生裂隙进行了精细刻画,在纵向上的展布规律具有断续分布特点,且发育具有分段性特征,相对集中分布在洛河组中下段,在平面上,裂隙主要发育方向为NW-NWW,以井27-2为界限,上部裂隙较发育。最后,综合考虑煤层上覆岩层岩性、富水性和原生裂隙分布特征以及导水裂隙带发育高度预测结果,选择对洛河组中段底部通过水平孔进行注浆,加固薄弱地层,阻滞洛河组中、上段水量下泄。经过地面预注浆治理后,204工作面推采过程中涌水量减少超过1000 m^(3)/h。同时,改善了生产条件,比相邻工作面多回收35万t煤炭资源,为治理黄陇煤田厚层砂岩水害提供了一种可行的办法。

厚煤层复合顶板工作面上覆岩层“三带”发育特征研究

针对河南焦煤能源有限公司中马村煤矿厚煤层复合顶板在工作面开采过程中上覆岩层的裂隙发育变化规律,结合3906工作面的地质条件和开采工艺,采用理论计算和UDEC数值模拟相结合的方法对上覆岩层“三带”发育特征进行研究。结果表明:理论计算得到3906工作面垮落带的高度为42.8 m,导水裂缝带高度范围为73.03~93.87 m;UDEC数值模拟得到垮落带高度为36.8 m,导水裂缝带高度为73.30 m;理论计算和数值模拟结果与现场实测的结果基本一致,这也验证了研究结果的可靠性。

神南矿区张家峁煤矿煤层顶板涌(突)水危险性评价

根据对张家峁井田地质及水文地质资料的分析研究,利用GIS多源数据融合方法,采用“三图—双预测法”进行煤层顶板水害危险性预测评价。首先以“富水性结构指数法”对煤层顶板基岩裂隙含水层进行富水性分区评价,然后针对煤矿正在开采的煤层顶板导水裂隙带发育高度进行研究分析,最终将之前得到的富水性分区图与冒落带分区图进行叠加分析,得到顶板含水层突水危险性分区图,进而采取相应的治理措施。研究表明,由于导水裂隙带均发育到其顶板含水层,故涌突水条件主要取决于其含水层的富水性,对于基岩裂隙含水层来说,总体上中部、西南部和西北部突水危险性较高,东部突水危险性较弱,由东至西突水危险性逐渐增大,相关研究在22202工作面涌水量观测结果中得到了验证。