薄煤层灰岩顶板巷道围岩稳定性控制

为合理控制薄煤层灰岩顶板巷道稳定性,避免过度支护引起巷道顶板失稳。以鲁西某矿薄煤层灰岩顶板巷道为研究对象,运用数值模拟、理论计算等研究方法,研究了不同类型灰岩顶板采场应力分布特征、围岩矿压显现规律及其塑性破坏形态特征,灰岩临界安全厚度影响性分析。研究结果发现:实体巷道的应力环境较好,应力集中程度相对较低,而沿空巷受2次采动影响范围更大、应力集中程度更高。煤矿巷道围岩在不同应力环境下需要不同程度的支护,主要集中在加强巷道两帮的支护和在特定情况下加强超前影响范围内的支护。

坚硬灰岩顶板破断对煤层底板破坏特征

为研究坚硬灰岩顶板破断对煤层底板变形破坏的影响,以黄河北煤田邱集煤矿111107工作面为背景,基于顶板岩体破断动载应力函数,运用FLAC^(3D)模拟了坚硬灰岩顶板破断对采空区底板的破坏过程,对比了不同动载幅值下采空区底板破坏特征,基于深孔聚能爆破预裂技术,设计了爆破切顶方案,为坚硬灰岩顶板工作面安全开采提供保障。模拟结果表明:动载作用前后底板破坏范围和深度有明显增加,底板最大破坏深度达12 m,动载作用结束以后,残余应力波仍持续影响采场底板,直到灰岩顶板破断150 ms后,采场底板的动力响应才全部结束;随着动载幅值增大,底板破坏范围逐步增大;在持续时间相同的条件下,当幅值小于10 MPa时,动载作用前后底板破坏变化不明显;当幅值大于10 MPa时,动载作用前后底板破坏有明显变化。

黄泥夹层灰岩顶板回采巷道支护技术研究

为进一步探究黄泥夹层灰岩顶板回采巷道的支护技术优化路径,结合实际案例,通过仿真分析确定了黄泥夹层灰岩顶板回采巷道存在的风险因素,确定采用锚索网联合支护形式对其进行针对性优化,并确定了支护技术的参数与整体支护方案。对支护效果进行现场测试,结果显示,本次支护方案在降低顶底板位移方面发挥了显著效果,证明了该支护技术的可行性。

上覆灰岩回采工作面顶板瓦斯高效抽采

为探索灰岩顶板条件下的瓦斯赋存状态及抽采方案,开展了灰岩的X射线衍射实验,研究了灰岩的物理化学特性,分析了灰岩对顶板瓦斯赋存和瓦斯抽采的影响。以山西沁源常信煤矿90107工作面为工程背景,先用经验公式理论计算顶板“两带”高度,再结合3DEC数值模拟软件分析回采过程中顶板破坏形态及裂隙发育特征,根据顶板裂隙发育优势区设计高位定向钻孔瓦斯抽采方案,最后通过现场实测验证。研究表明:随着工作面的推进,顶板初次垮落步距为40 m,周期垮落步距为40 m,垮落带高度为11.4 m,裂隙带发育高度为50 m,裂隙发育优势区为11.4~25.0 m;现场实测发现上隅角和工作面瓦斯超限问题得到有效解决。抽采后,上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下,上隅角瓦斯浓度降幅最大可达87.5%。研究结果为相似灰岩地质条件下瓦斯高效抽采提供了参考依据。

切顶卸压沿空留巷在石灰岩顶板综采工作面的研究与应用

在太原组煤系地层石灰岩坚硬顶板条件中厚煤层综采工作面研究应用切顶卸压沿空留巷技术,基于中国矿业大学何满潮院士“切顶短壁梁”理论,对恒阻锚索补强支护、切缝钻孔布置、爆破参数、留巷临时支护、采空区巷旁挡矸支护等进行了研究。通过在090703综采工作面应用,保留的巷道顶板完整,巷道围岩变形在允许范围,经简单修复后能够满足下一个工作面使用。该技术的成功应用,取消了相邻工作面之间的区段煤柱,提高了资源回收率。每个采煤工作面减少一条顺槽掘进,可以大大降低万吨掘进率,有利于实现采掘平衡,具有推广应用价值。

不同石灰岩顶板厚度下的黄泥顶板变形特性研究

为解决石丘煤业主采煤层顶板黄泥岩的剧烈变形问题,采用FLAC3D数值模拟软件建立下不同石灰岩顶板与黄泥顶板厚度的数值模型,对围岩变形、垂直应力、矢量位移与体积应变进行监测,探究不同厚度石灰岩顶板对不同厚度黄泥顶板变形特性的影响。结果表明,石灰岩厚度小于6 m并且黄泥岩厚度小于3.5 m时,最大顶板下沉量变化较小;石灰岩厚度小于6 m并且黄泥岩厚度大于3.5 m时,顶板最大下沉量随黄泥岩厚度的增加迅速增加;当石灰岩的厚度大于6.0 m,最大离层量随黄泥岩厚度的增加而减小。根据数值模拟结果以及工程现场的顶板实际破碎形态,提出了离层破碎型、离层膨胀型、膨胀蠕变型顶板变形特征以及相应的支护方式。

顶板多层灰岩含水层音频电透视探查技术应用

针对工作面顶板多层灰岩含水层在回采时通过导水裂隙带使涌水量异常增大,影响工作面正常回采问题,采用矿井音频电透视技术对工作面顶板上100m范围内富水异常区进行探查,针对不同层段汇演含水层采用不同激发频率探查。通过对青龙煤矿21601工作面探测结果表明:音频电透视120Hz激发频率能很好反映0~50m层段灰岩富水区域分布,15Hz激发频率能很好反映51~100m层段灰岩富水区域分布,利用此技术能提前探明回采工作面顶板上方多层含水层富水异常分布范围,为煤矿防治水提供科学的指导意见,保障矿井的安全生产。

柔模混凝土沿空留巷技术在厚硬石灰岩顶板中应用研究

在马军峪煤矿90201工作面采用柔模混凝土沿空留巷技术,实现无煤柱开采。该工作面顶板主要是石灰岩,岩性较硬,因此需要超前工作面实施顶板切顶卸压护巷措施,根据90201工作面地质条件以及理论计算,确定爆破孔深14 m,直径60 mm,装药8 m,封孔6 m;超前在留巷巷道顶板进行补强支护,根据巷道实际情况,为满足巷道复用要求,对巷道进行扩帮以及锚索补强支护,极大程度提高巷道顶板承载力,减少留巷巷道围岩变形量。实践证明,切顶卸压护巷技术以及巷道补强支护能有效降低围岩变形量,保证沿空留巷技术顺利开展。矿压监测数据表明,顶底板移近量降低35.5%,两帮移近量降低19.9%,取得了良好的留巷效果,最大程度地降低了生产成本及巷道掘进率。

坚硬石灰岩顶板破断及来压规律模拟实验研究

澄合矿区10号煤层顶板为厚层状石灰岩层,其力学强度高、完整性好,采后不易垮落,严重威胁工作面安全。采用相似材料模拟实验,分析了10号煤层开采过程中坚硬石灰岩顶板的移动破坏和矿压显现特征。实验得出工作面顶板初次来压步距65 m,周期来压步距平均22.8 m.结果表明,来压步距较大,矿压显现强烈,支架载荷较高;厚层石灰岩顶板垮落后冒落带较少,支架后方顶板多呈连续的弯曲下沉结构。

晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板变形与控制特性研究

晋城矿区15#煤直接顶K2石灰岩厚8～12m,结构致密坚硬,为坚硬难垮落顶板。针对厚层石灰岩顶板可能面临的大面积断裂和垮落,从而导致冲击地压等问题,通过岩石力学性质试验获得相关岩层力学参数,并运用关键层理论、数值模拟和相似材料模型试验,研究了厚层脆韧性石灰岩顶板的变形与垮落特性,得到了顶板初次来压步距20～25m和周期来压步距10～15m及垮落规律,并提出了顶板控制的技术途径,即初期中深孔爆破结合顶板关键层缓慢下沉综合控制技术。实践表明,厚层石灰岩顶板的垮落形态和垮落步距与理论和试验研究结果基本一致。该项成果为晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板控制提供了有效途径。

厚层复合石灰岩顶板垮落特性试验研究

研究针对晋城矿区特殊的工作面顶板特性，通过岩石力学性质试验获得相应的力学参数，应用数值模拟和相似材料模型试验，对晋城矿区卧庄煤矿150煤厚层复合石灰岩顶板在开采过程中的垮落特性进行了综合研究，得到工作面厚层复合石灰岩顶板的初次来压步距和周期来压步距以及垮落规律．结果表明，两种不同试验模拟手段得到了相近的结果，初次来压步距20m左右，周期来压步距在10～15m之间，并且与实际工作面顶板的垮落形态相吻合．这一研究成果为解决晋城矿区厚层复合石灰岩顶板不易破断，支架承受较大压力等问题提供了理论基础．

顶板灰岩瓦斯涌出异常分析及治理技术

为厘清吕梁矿区某低瓦斯矿井顶板灰岩瓦斯涌出异常的原因,实测开采煤层及邻近煤层瓦斯含量、顶板裂隙涌水量、岩溶水离子成分及裂隙内瓦斯浓度,结合瓦斯异常涌出地点地质构造特征,剖析顶板灰岩瓦斯富集的原因,跟踪考察工作面瓦斯治理效果。研究表明:顶板灰岩裂隙水的封堵作用及层间裂隙水对顶板灰岩溶蚀改造形成的瓦斯储集空间是顶板灰岩瓦斯涌出异常的原因;使用顶板高位钻孔抽采灰岩富集区瓦斯,可减少巷道空间的瓦斯涌出量,降低瓦斯浓度,保障工作面的安全高效生产。

薄煤层M形工作面连续旋转开采技术

为解决不规则工作面难以布置长壁开采设备和实现高效开采的难题,以大社矿94064工作面为背景,应用数值模拟、理论分析等方法,对采场矿压显现和覆岩移动规律进行研究,开发了M形工作面连续旋转开采技术。研究结果表明,薄煤层野青灰岩顶板不破断,以连续缓慢下沉为主,提出了基于顶板连续缓慢下沉为主的"限定变形"顶板载荷估算方法;提出了针对M形工作面的开采工艺,工艺中续(减)支架、延长(缩短)刮板输送机、调斜比例控制、高档支护补充4个环节协调有机配合,使工作面多次连续大角度旋转,实现薄煤层M形工作面不搬家、不倒面直接推采的综采技术,节约了搬家倒面和新开切眼的经济成本。

联合反演在煤层顶底板岩性预测中的应用

为了提高煤层顶底板岩性预测的精度,首先进行了含煤地层波阻抗反演,利用煤层在波阻抗体上表现为异常低值、灰岩在波阻抗体上表现为异常高值的特点区分了煤层和灰岩;针对剩余的砂泥岩混合岩性体,由于自然伽马曲线对砂岩和泥岩极其敏感,因此采用自然伽马拟声波反演的方法得到了自然伽马体,从而有效地区分了砂岩和泥岩,实现了煤层顶底板岩性的精确预测。因此,采用波阻抗反演和拟声波反演联合的方法能够有效预测煤层顶底板岩性。

近距离顶板灰岩富水性探测与突水危险性研究

针对某矿1102工作面近距离顶板灰岩含水层是否具有突水危险性,采用瞬变电磁探测和UDEC数值模拟的方法,就顶板灰岩富水性分区及覆岩结构稳定性、导水裂隙发育特征进行了深入研究。研究结果表明：①顶板灰岩含水层有2处含水较强区,1处含水中等区,2处含水中等偏弱区。②1煤上覆岩层裂隙发育集中在采空区后方、前方煤壁处及工作面中部离层区。裂隙发育高度随采空区跨度增加而增大,两者呈非线性关系。开挖40-120 m时,裂隙发育高度突增;开挖70 m、裂隙高度为22 m时发展至灰岩含水层。③15 m厚砂岩充当了隔水层,工作面突水危险性较小。④采用新型化学注浆堵水材料——改性脲醛树脂,成功进行了工作面防治水试验,效果显著。

煤层顶板灰岩特征对煤储层含气量的影响研究

为了在缺乏取心实测资料的情况下更准确地预测煤储层含气量,利用常规测井曲线,分析了灰岩的厚度、泥质含量、有效孔隙度、含水量、埋深以及灰岩与煤层的接触关系对煤储层含气量的影响特征和影响机理,建立了基于灰岩特征的煤储层含气量多元回归预测模型。研究结果表明:煤储层含气量同灰岩有效孔隙度和含水量呈负相关,同埋深和泥质含量呈正相关;有效孔隙度是煤储层含气量的主控因素,埋深、含水量和泥质含量次之;灰岩厚度与煤储层含气量没有明显关系;局部地区灰岩与煤层间接接触,接触关系不影响煤储层含气量;回归模型实例验证效果较好,但是在盆地边缘和断层发育部位,误差较大。

水平层状优势节理石灰岩采空区顶板破坏特征及其影响机制

为研究层状石灰岩采空区顶板的破坏特征及影响机制问题,在梅州某地下矿调研的基础上,构建采空区水平层状优势节理顶板力学模型,推导其应力分量表达式;结合M-C岩体强度准则,给出任意点岩体破坏判定值Z及其峰值数学式,分析顶板可能出现的变形破坏类型及失稳特征。结果表明:顶板的顶部、下部、两侧翼等位置出现4个判定峰值区域,依照Z值大小排序,分别对应脱落型(Ⅰ类)、挠曲型(Ⅱ类)、剪切型(Ⅲ类)等3种可能变形破坏形式。当Ⅰ、Ⅱ类变形破坏时,顶板具有“梯形拱”承载效应;当Ⅲ类变形破坏时,顶板具有类似“工”型承载特征。顶板破坏类型受安全系数m、跨厚比n和侧压系数k0等因素影响,其中,m、n为可控因素,k0为不可控因素。当k0和n既定时,m仅影响Ⅰ、Ⅱ类或Ⅰ、Ⅲ类破坏类型之间的转化,临界处m分别为2.02和1.22;当m和n既定时,k0影响方式与m的方式相同,临界处k0分别为1.25和1.33;当m和k0既定时,n将影响Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类等3种破坏类型之间转化,临界处n为1.6和3.5。采空区现场勘察结果验证理论分析结果的合理性。成果为此类矿山采空区顶板参数选择提供理论依据。

矿柱不同重叠率条件下空区顶板安全厚度

相邻中段矿柱间发生严重偏离时,严重影响采空区顶板安全厚度的取值,危及矿山生产安全。本文以某地下石灰岩矿山采空区为例,在分析相邻中段偏离矿柱的顶板受力特征基础上,构建顶板的受力模型,建立安全厚度(h_(s))的数学表达式,研究h_(s)与矿柱重叠率λ、矿柱宽度a、空区跨度b之间的关系。结果表明:当b一定时,h_(s)随a的增加而增大,λ在0.8~1.0时,h_(s)变化较小并趋于定值;h_(s)随着λ的增加而减小,λ在0.8~1.0时,h_(s)变化较小并趋于定值;当a一定时,h_(s)随b的增加而增大,λ在0.8~1.0时,h_(s)增速变化较小;h_(s)随着λ的增加而减小,λ在0.8~1.0时,h_(s)增速较小;矿山矿柱重叠率须控制在0.8以上。实例1和实例2验证了理论计算方法的科学性。

灰岩裂隙发育区瓦斯异常涌出原因及防治技术研究

针对一些矿井瓦斯涌出量小但瓦斯灾害事故频繁的现状,结合义棠煤业公司实际情况,利用瓦斯地质理论,对局部煤层瓦斯异常涌出的原因进行了分析和研究,认为地质构造作用使地层受到揉皱破碎,致使顶板灰岩裂隙发育,大量游离态瓦斯贮存在裂隙中,当采掘活动扰动到这些裂隙时,游离态瓦斯集中释放造成局部瓦斯异常涌出,并据此提出了切实可行的瓦斯防治措施。

基于抽水试验的北公村2号大型断层阻渗性研究

为探究东滩煤矿七采区内北公村2号大型断层的阻渗性,在分析研究区地质及水文地质条件的基础上,结合现场水文地质补勘钻孔揭露的3煤层顶板砂岩和奥灰2个含水层稳定流抽水试验结果,初步分析了抽水试验相关数据,获得了奥灰含水层水文地质参数,发现不同位置奥灰富水性存在较大差异性,认为3煤层顶板砂岩含水层与奥灰含水层无水力联系。基于兖州矿区内现场压渗试验所获取的断层阻渗性量化参数,建立了该断层阻渗地质模型,并进行了阻渗性类比计算,与抽水试验结果对比,进一步得出该断层具有良好的阻渗性。研究结果对研究区3煤层开采工作具有科学的指导意义。