基于导水裂隙扩展-重金属离子迁移的短壁块段式充填保水采煤机理研究

短壁块段式充填采煤技术可有效解决煤炭资源浪费、水资源流失和矸石堆积等问题,然而,采空区矸石充填材料受到矿井水的长期作用后,其内部重金属离子可能会发生浸出,对矿区水资源造成一定潜在污染影响。为此,结合短壁块段式充填采煤技术,系统地对采动造成的水资源流失和水资源污染综合防治展开研究。首先,针对矿区水资源流失防治,基于“煤柱、充填体-阻隔层-隔水层”的层位组合关系,研究短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育特征,揭示短壁块段式充填采煤诱发的覆岩结构演变下水资源保护的控制机理。其次,针对矿区水资源污染防治,建立采空区矸石充填材料重金属离子迁移模型,揭示矸石充填材料对水资源的污染机理,分析矸石充填材料重金属离子迁移规律。并由此总结矿区水资源流失-污染综合防治技术,提出基于水资源流失-污染防治的充实率设计方法。结果表明:在水资源流失防治方面,矸石材料作为充填体充入采空区后,作为永久承载体与块段间保护煤柱共同承担上覆岩层的载荷,有效阻止了低位岩层组的垮落,限制覆岩导水裂隙贯穿隔水层,确保高位岩层组的完整性;在水资源污染防治方面,矸石充填材料重金属离子在渗流、浓度、应力的耦合作用下,以矿井水为载体,在重力势能和水头压力的驱动下沿着煤柱侧向以及底板下方进行迁移运动,且重金属离子迁移距离随底板岩层渗透率、重金属离子浸出浓度/污染源强、底板裂隙深度和水位高度的增大而增大,随矸石粒径和围岩应力的增大而减小。基于此,总结了矿区水资源流失-污染综合防治技术,包括开采参数调控技术、充填参数调控技术、污染源头调控技术、传播途径调控技术以及水体原位调控技术,并提出基于水资源流失-污染防治的充实率设计方法,实现矿区水资源流失-污染综合防治。研究成果对综合防治煤炭开采造成的矿区水资源破坏问题提供一定的科学理论依据和工程指导。

充填法采矿矿块结构参数优化设计

司家营常峪铁矿为控制采矿引起的地表岩移,采用地下开采充填采矿法采矿。在确保安全的基础上,选取合理的矿块结构参数,对矿山设计和建设尤为重要。通过应用FLAC3D软件对不同尺寸的矿块结构进行了数值模拟,得出了矿山充填法采矿矿块结构最优参数,为矿山设计及开发建设提供了依据。

复采区超高水材料开放式充填开采留巷一体化技术

针对井陉煤矿1612复采工作面的开采要求及该工作面运输巷必须在开采后长期保留下来的情况,提出了炮采工作面超高水材料开放式充填开采留巷一体化技术。通过挡浆板和阻燃隔水膜结构提高了采空区充填率,并采用了"强—中强—弱"支护结构,使巷道围岩应力向采空区深部转移,减小了运输巷围岩应力。实践表明:超高水材料开放式充填开采留巷一体化技术工艺简单、充填成本低,且留巷效果理想,具有很好的推广应用价值。

三巷布置一侧回采煤柱空巷压垮机理及对策

为探究大宁煤矿202工作面试行三巷布置一侧回采煤柱回采方式(简称跨采煤柱)期间发生空巷大面积切冒事故的原因,通过现场矿压观测与理论分析,建立了空巷上覆岩层力学模型,对空巷切顶机理进行了分析,并对制定的相应对策进行了实践。研究结果及现场实践表明:不合理的支护导致空巷上方基本顶发生超前破断,所形成“长关键块”的滑落失稳,是造成空巷切顶压垮的根本原因;当空巷采取充填措施且充填体强度达到1~1.2 MPa,即可有效地控制煤壁片帮和顶板下沉,并大幅改善空巷周围应力状态,形成有利于过空巷的局面,保证工作面的顺利推进。

垮落顶板下膏体充填开采二分层方案探讨

太平井田六南02一分层煤层采用垮落法开采完毕,为控制二分层开采引起一分层采后的导水裂隙高度继续发育,二分层拟采用膏体充填开采。通过对02二分层工作面区域水文地质及工程地质条件分析,引入"等效采厚"概念,对比公式计算及预测数据,选取了接近实际的导水裂隙带发育高度,确定了合理的防水安全煤岩柱尺寸。六南02二分层工作面现已安全回采结束。

近距离下保护层矸石充填开采可行性理论分析

为提高下保护层开采的适用性,将矸石充填法应用于下保护层开采。分析了充填开采的采场覆岩的弯曲下沉变形,得到了矸石充填开采采场顶板的下沉变形规律;以维持被保护煤层底板岩层稳定性为基础,建立了下保护层矸石充填开采的可行性理论判据。以贵州某矿下保护层开采为工程背景,设计了下保护层充填开采的充填参数,并对下保护层开采对上部煤层所造成的影响进行了分析。结果表明:当下保护层充填开采采取合理的充填参数时,即能保证下保护层开采不影响上部煤层的正常回采,又能保证上部煤层会受到下保护层采动而使其裂隙充分发育。

短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育机理及控制研究

针对矿区开采遗留的"三下"压煤、边角煤柱、工广煤柱以及不规则块段等煤炭资源的回收问题,同时为解决矸石堆积危害和煤炭开采造成的水资源流失,提出采用短壁块段式充填采煤技术回收该资源。为了准确地计算短壁块段式充填开采造成的导水裂隙带发育高度,在分析块段式充填开采工艺特点和上覆岩层移动特征的基础上,采用弹性地基梁理论,建立了一种计算块段式充填采场覆岩导水裂隙带高度的力学分析模型。以现场实验区域为例,研究得到实验工作面导水裂隙带高度不发育至含水层的最小煤宽度柱和采空区充实率分别为5 m和65%;鉴于此,现场设计保护煤柱宽度为5 m,充实率为80%。