Practice and adaptable conditions classification of aquifer-protective mining in longwall coalface for shallow seam with thin bedrock

A set of adaptable conditions classification of aquifer-protective mining in thelongwall coalface for shallow coal seams with thin bedrock was put forward to deal withthe conflict between water protection and high efficiency for the mining field in west China.This classification was suitable for shallow coal seams with different thickness and wasbeneficial to the local environmental protection.Using the 3-Universal Distinct ElementCode (3DEC) numerical software, the height of the fractured zones for shallow coal seamswith thin bedrock was calculated and analyzed, and its predicting formula was achieved.Meanwhile, according to the lithology and the weathering degree of the shallow coal seam,the thickness of the protective layer was determined as 10 m and the overlying water bodyof loose water-bearing sand for shallow coal seams with thin bedrock was divided intothree types, namely, weak, medium and strong.Based on these, the necessary bedrockthickness of the longwall coalface for shallow coal seams with thin bedrock was confinedaccording to the different mining height and water yield nature of the overlying loose water-bearing sand.Combined with the present mining status, a set of new methods ofadaptable conditions classification of aquifer-protective mining technology in the longwallcoalface for shallow coal seams with thin bedrock was put forward.

浅埋深薄基岩巷道锚注加固技术研究

针对红柳林煤矿浅埋深薄基岩巷道顶板锚固力低的难题,分析了风化基岩分布特征以及矿物成分,开展了薄基岩注浆加固试验,分析了薄基岩巷道注浆加固机理,提出了巷道锚注加固技术方案,并开展了井下工程实践,分析了工程应用效果。结果表明:风化薄基岩黏土矿物成分含量高,增大了顶板岩体软化和膨胀变形,影响巷道围岩稳定性;井下注浆充填了风化基岩裂隙,封堵了顶板水渗流通道,提高了顶板完整性,增大了薄基岩层的抵抗破坏的能力;通过锚索注浆达到了较好的注浆固结效果,锚杆(索)初期受力缓慢增大,随后基本保持稳定,锚杆受力55~67 kN,锚索受力92 kN左右,顶板离层量3 mm左右,巷道围岩变形明显减小,达到了较好的巷道支护效果,表明锚注加固技术可有效解决浅埋深薄基岩巷道变形控制难题。

浅埋薄基岩煤层顶板疏放水技术研究

为解决浅埋薄基岩煤层顶板疏放水技术难题,以锦界煤矿31301工作面为研究背景,分析了31301工作面水害情况,实施工作面顶板疏放水试验,从钻探设计、钻孔布置、钻孔结构、钻探技术要求、放水技术要求等方面设计了一套适用于浅埋薄基岩煤层顶板疏放水技术,共计施工钻孔101个,累计初始涌水量7024.8 m^(3)/h,单孔最大初始涌水量为147.0 m^(3)/h,单孔平均初始涌水量为69.6 m^(3)/h,疏放水期间出现最大涌水量为2200 m^(3)/h,消除了工作面回采水害影响,降低了生产安全风险。

浅埋薄基岩工作面防水溃泥砂安全性研究

以浅埋深薄基岩工作面为研究对象,对厚煤层条件下大采高下的防水溃泥砂安全性进行了分析研究。通过现场钻孔取样进行了岩性柱状统计分析,实测了风化基岩及黄土段力学性能,并针对岩性强度归类后的垮落带及裂隙带发育高度进行了理论计算,最后通过3DEC离散元模拟软件对切眼基岩段地质条件下的冒裂特征进行了数值模拟。探测发现切眼区域累计埋深约65.5 m,薄基岩厚度仅26.5 m,且有弱风化,强度介于13~32 MPa之间;经理论计算与数值模拟发现采全条件下,基岩垮落带发育高度约14.5 m,导水裂隙可贯穿整个基岩,黄土层全段发生弯曲下沉直至地表,地表下沉导致局部张拉,出现垂直型裂隙,存在雨季涌入积水及溃泥的可能性,建议避开雨季回采,以及做好引流工程与地表裂缝回填相结合措施。

水资源转移存储在浅埋深薄基岩矿区的应用

在含水层破坏之前,预先将其中的水资源转移至不受开采影响的其它含水层或同一含水层不受开采影响的其它区域,是实施水资源保护性开采的关键技术.神东矿区煤层覆岩结构具有浅埋深、薄基岩的特点,煤炭开采对煤层顶板第四系潜水产生较大的影响.以神东矿区补连塔煤矿为例,尝试在煤炭开采前进行地下水资源转移存储,实施水资源保护性开采.基于水资源转移存储可行性研究,根据实际条件设计了水资源转移存储工程,其实施将为神东矿区带来巨大的经济效益和社会效益.

浅埋薄基岩煤层护巷煤柱优化机理研究及方案确定

针对浅埋深薄基岩中厚煤层护巷煤柱合理宽度的问题,结合李家壕煤矿2-2中煤层的实际情况,对其煤柱的可优化性、不同煤柱宽度的应力分布特征及塑性区分布范围进行研究,结果表明:浅埋深薄基岩中厚煤层中煤柱矿压较小,矿压显现不明显,煤柱宽度大于16m时,煤柱整体应力较低,塑性区范围较小,中间弹性核宽度过大;煤柱宽度小于8m时,两侧支承压力叠加,煤柱整体应力较大,塑性区几乎贯通整个煤柱,不能满足煤柱稳定的需求;12m煤柱为合理煤柱,整体应力相对不大且中间弹性核合适,一个工作面可多回收煤炭6.21万t。

浅埋薄基岩厚煤层综放工作面采空区漏风数值模拟

分析了浅埋薄基岩厚煤层综放工作面采空区自燃危险性特征,结合内蒙古伊泰集团阳湾沟煤矿6202工作面各项实际参数,采用数值模拟方法对采取不同措施时采空区流场(压力、速度分布)、氧浓度分布等进行了模拟研究,并将模拟结果与现场观测结果进行了比较。结果表明:采用的数值模拟方法与参数等是合理可行的,可以反映真实情况下采空区流场与氧浓度等参数的变化情况。对工作面上、下隅角采区封堵措施可以减少采空区漏风,且封堵长度越长效果越明显,但碍于现场施工和实际操作的难易程度,封堵长度受到限制;注氮使得采空区氧浓度的分布范围变窄且浓度降低;注氮与封堵上、下隅角对控制采空区氧浓度的分布效果较明显。最后通过固定封堵长度(下隅角堵10 m、上隅角堵5 m)、改变注氮量,研究了最小注氮量的计算问题,得出了6202工作面最佳注氮量计算公式。结合煤层实际最短自然发火期和工作面正常推进速度计算出阳湾沟煤矿注氮量为260 m3/h。

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。

浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理

为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因,采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构模型,论证了“主控层-软弱层”组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适用性与合理性,通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据,揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。利用相似材料模拟实验开展了基载比分别为0.625,0.750,0.875,1.125四种工况的相似模拟实验,研究不同“基载比”条件下覆岩结构破坏规律,实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面:初次来压前4类工况中直接顶均发生初次破断冒落,当基载比为0.875~1.150时,直接顶初垮步距及冒落厚度增幅减小;当基载比为0.750~1.125时,初次来压步距呈现增大趋势,直接顶冒落厚度呈现减小趋势;当基载比由0.625增加至1.125过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势,周期来压相对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面:当基载比<0.625时,初次破断期间覆岩将发生贯通至地表的切落;基载比>0.75时中上位岩层断裂岩块块度为i=0.09~0.50,部分岩层可形成稳定简支结构,覆岩表现为下位冒落、中上位“简支梁-简支梁”组合承载结构,基载比由0.625增加至1.125过程中,对于块度i>0.50的中位岩层断裂岩块,将形成单回转岩块结构,该层位岩块架后切落始终存在,对于块度0.25<i<0.50的上位岩层断裂岩块,将形成简支梁结构,整体覆岩形成协同运动的承载结构,覆岩表现为下位冒落、中上位“单回转岩块-简支梁”组合承载结构,模拟实验结果与理论模型相符。22402工作面初采区域支架实测阻力平均介于5000~6000 kN,且来压期间呈现明显的动压显现,支架类型为最大支撑阻力5500 kN型支架,由于支架性能未能满足实际来压需要导致切顶,基岩裂隙导通工作面与含水松散层,发生溃水溃砂,因此通过适当增加支架阻力可有效防止溃水溃砂事故的发生。

浅埋深薄基岩大采高综采过断层技术

针对鄂尔多斯苏家沟煤矿4103工作面埋深浅,基岩薄,为大采高综采,工作面推进过程中遇到S4-33断层,对工作面造成安全威胁,影响推进度和生产效率,降低煤质的问题.将断层对工作面的影响进行了数值模拟及理论分析,研究结果表明:在断层带及其影响范围内岩体受工作面采动影响大,较易破碎,易与工作面的岩层移动连成一体,增加断层附近岩层移动的范围;工作面距断层越近,支承压力越大,矿压显现越剧烈,顶板管理越困难.相应提出一系列技术措施.

浅埋薄基岩煤层快速推进工作面矿压显现规律研究

基于神东矿区1-2#煤层的赋存条件和开采技术条件,采用FLAC3D数值模拟方法,研究浅埋薄基岩回采工作面快速推进过程中的矿压显现规律,为工作面支架阻力确定和岩层控制提供依据。结果表明,随着推进速度的增加,顶板压力呈现减小趋势;推进速度越快,工作面前方应力集中程度越高,峰值应力距工作面距离越小,应力集中影响范围呈减小趋势;推进速度不同时煤层上部的薄基岩和厚松散层破断都直接波及地表,地表下沉量明显高于相同条件下的正常采深煤层工作面;浅埋采场上覆松散层变形移动过程中难以形成承载结构,荷载估算时不能采用传统的普氏压力拱理论。

浅埋深薄基岩大采高综采工作面开切眼支护技术

为了解决浅埋深薄基岩大采高综采面开切眼支护参数不合理,支护系统效能不足的问题,以红柳林矿25206工作面开切眼为工程背景,采用现场监测、数值模拟、理论分析、现场实践等手段对开切眼支护系统进行研究。研究表明:开切眼原支护参数能够较好控制围岩变形,但存在支护强度过高,锚杆(索)未能达到其额定支护阻力的问题;基于锚杆(索)协同支护方法,建立锚杆基础支护,锚索补强支护协同支护系统,计算合理支护参数,并利用数值分析进行锚杆和锚索方案的合理性和可靠性验证,确定在预紧力取50 kN时,顶板锚杆长度2.6 m,间排距1200 mm×1200 mm,帮锚杆长度2.2 m,间排距1200 mm×1200 mm,锚索直径17.8 mm,长度6.0 m,能够较好控制巷道围岩变形;优化支护方案后,顶部锚杆最大支护阻力稳定值78 kN,帮部锚杆为65 k N,顶部锚索为118 k N,锚杆(索)支护阻力显著提升,支护效能明显提高。通过矿井支护优化研究,形成了一套较完善的支护体系。

薄基岩浅埋煤层综采工作面矿压规律及围岩控制研究

通过对大柳塔22614薄基岩浅埋深综采工作面的矿压实测研究,对其矿压显现特征及来压规律进行了详细的分析,并对支架对工作面的适应性做了评价。得出如下结论:周期来压步距随基岩厚度增大而增大,来压强度随基岩厚度增大而减小,基岩变厚区比基岩变薄区来压步距大、来压强度大,9000kN支架基本符合该工作面开采要求等。

神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理

针对神东矿区煤层埋深浅、上覆基岩薄、厚松散含水层的地质条件,在回采期间,尤其是在第一次老顶断裂后,极易发生溃水溃沙。为了实现安全回采,研究了极具代表性的上湾煤矿12207工作面切眼区域,通过对该区域冒落带和导水裂隙高度,防水、防砂煤岩柱高度的研究,预测了矿井涌水量。依此为依据,采取了水文地质补勘、施工直通泄水孔、井下探放水、地面注浆等工程措施和井下工作面排水系统的建设等措施,实现了安全回采。

浅埋薄基岩自燃煤层火源位置探测数值计算及应用

数值计算方法是研究氡迁移机制问题常用的手段之一,以半无限大均匀多孔射气介质为计算模型,推导出氡在其中的运移传播方程,并分别计算了只有扩散或对流作用下射气介质表面氡运移及析出规律。计算结果发现,半无限大均匀多孔介质中氡浓度分布规律服从指数分布。在以扩散对流作用为主的氡迁移过程,射气介质的氡析出率取决于射气介质孔隙氡浓度大小及流体的对流速度。只在扩散作用下氡析出率的大小由孔隙浓度决定;只在对流作用下氡的析出率由流体流动方向和流速大小决定。将计算结果应用于测量浅埋藏薄基岩自燃煤层地表氡值,探测结果与理论计算结果吻合度高。

浅埋深薄基岩综放覆岩运移规律的埋深效应研究

采用相似模拟实验的方法,研究了浅埋深薄基岩条件下综放开采覆岩运移规律的埋深效应,结果表明:浅埋深薄基岩条件下,虽然埋深不同,综放采场覆岩均形成了稳定的"悬臂梁+铰接岩梁+拱"结构,松散层和地表会随着"铰接岩梁"周期性失稳而滞后工作面成整体切落式垮落,地面出现台阶式下沉,工作面与地表沟通,进而直接破坏覆岩含水层和地表水系,生态环境遭受严重的破坏;随着埋深的增加,地表最大下沉值增加,最大下沉量位置距工作面的距离增大。

生态脆弱矿区煤层覆岩隔水特征及保水开采实验研究

对薄基岩浅埋煤层覆岩的隔水性进行了分析，采用相似材料模拟的方法，研究了薄基岩浅埋煤层覆岩的物理力学特征和上覆岩层移动破坏规律。研究表明，覆岩的矿物成分以石英、钾长石等为主，其含量高达75．4％～92．0％；岩石的单向抗压强度远大于抗拉强度，属于典型的脆性岩石。风化岩石的膨胀性增强，塑性增加，强风化带内，结构致密的粉砂岩、细粒砂岩的物理力学性质无明显变化。相似模拟实验表明：在煤柱附近和采空区中央，沿顶板方向覆岩移动表现出明显的分区性，在同一层位水平变形引起的压缩区和拉伸区交错出现；导水断裂带最大高度约为94m，是采高的27倍。在此基础上，对薄基岩浅埋煤层保水开采的条件进行了评价，提出了保水开采的关键技术措施。

浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断特征和来压规律

为了揭示浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断运动结构特征,在张家峁煤矿22201工作面辅运顺槽内施工3组钻孔,现场观测不同层位的顶板位移量,钻孔窥视顶板破断位置,实测统计对应的工作面支架工作阻力和超前支架工作阻力。结果表明:工作面上方顶板分层垮落,具有显著的时间和空间效应;顶板破断超前于工作面来压,超前破断距离约15~20 m;顶板冒落带高度15~18 m,平均顶板破断角65°;初次来压形成非对称三铰拱结构,周期来压形成台阶岩梁结构;端头区域内倾向不同层位的顶板呈弧形拱状冒落。工作面初次来压步距为32 m,来压时支架的平均工作阻力11 448 kN/架,周期来压步距为10~15.8 m,平均13 m,来压时支架的平均工作阻力10 343 kN/架,支架选型合理且利用率高;回风顺槽侧超前支承压力显现较明显,超前支承压力峰值位于工作面前方5 m内,显著影响范围约为10 m,一般影响区为15 m.

多因素协同作用浅埋深薄基岩覆岩活动研究

根据浅埋深薄基岩煤层赋存特点,采用Flac3D数值模拟方法进行正交试验,系统分析了松散层厚度、基岩厚度、采高和推进速度对浅埋深薄基岩厚松散层岩层活动的影响,确定了各因素对岩层活动影响的重要性。结果表明:各因素对岩层活动影响的重要性从岩层活动的不同指标来看是不一样的。针对初次来压,基岩厚度为主要影响因素;对于周期来压,松散层厚度为主要影响因素;采高为地表位移的主要影响因素;综合来看,对于浅埋深薄基岩厚松散层采场岩层活动影响的因素由主到次依次为基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度。

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究

以榆阳煤矿为研究基地,进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明,风积沙层底部为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高,含水率大,抗压、抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的黏土矿物含量低、具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性,并通过多因素拟合,确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏"两带"高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采,为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。