呼吉尔特矿区邻空巷对掘致冲风险分析及防治技术研究

为研究呼吉尔特矿区厚硬顶板条件下小煤柱沿空掘巷贯通期间冲击地压机理,以门克庆煤矿11-3107回风巷贯通期间矿压显现为工程背景,建立了邻空巷贯通期间应力分布模型及FLAC3D数值模型,对比了距贯通点不同距离掘进工作面应力演化特征,揭示了邻空巷贯通期间冲击地压机理,并通过十字布点法、应力、微震等多种监测手段对巷道围岩变形、煤体应力进行了实测。基于机理分析和现场实测,提出卸压-支护一体化技术。结果表明:由于煤层顶板上方存在厚硬岩层,巷道开挖后,厚硬岩层通过应力传递作用于巷道围岩,使得滞后于掘进工作面的巷道顶底板及帮部发生较大变形;随着邻空巷掘进工作面距离贯通点越近,巷道变形量逐渐增大,通过巷道变形量的增加速率明确了距贯通点约160 m时,巷道变形量开始突增;微震事件主要集中在距贯通点190~60 m以内的巷道贯通区域,理论计算与现场矿压显现相符。

双回撤通道冲击地压防治技术研究与应用

针对冲击地压矿井的回撤通道易发生失稳破坏,工作面采动过程中对于回撤通道的影响进行了分析,并结合现场数据分析了双回撤通道内支架压力变化情况,制定针对性防治措施并进行了效果分析。研究结果表明:回撤通道的失稳破坏受工作面采动影响,当工作面剩余长度距离主回撤通道越近时,回撤通道的支承压力越大,巷道两帮的压力越集中,巷道越容易发生失稳破坏。基于主回撤通道易失稳破坏的特点对其顶板预裂爆破效果进行了分析,在预裂爆破后,爆破区域的应力变化幅度明显降低,说明顶板预裂爆破可降低回撤通道受工作面采动影响产生的应力集中。同时,也起到了将采空区应力传递路径阻断和本工作面的超前支承压力传递路径的弱化作用。

鄂尔多斯矿区小煤柱沿空掘巷冲击地压机理

以门克庆煤矿11-3106回风巷掘进期间的矿压动力显现为背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,对鄂尔多斯矿区厚硬岩层条件下小煤柱沿空掘巷冲击地压机理进行研究。研究结果表明:由于煤层顶板上方存在较厚硬岩层,当煤体开挖后,顶板岩层依旧具有一定承载能力,使得岩层在滞后一定时间以后才会出现较大形变;巷道顶板运动趋势出现一定的滞后性,通过判断巷道顶板的下沉幅度,明确了下沉最为明显的区域为滞后掘进工作面25~53 m;微震事件集中区域以及巷道顶板的变形量主要集中在滞后掘进工作面20~60 m区域,理论分析计算区域与现场实际相符。此外,基于掘巷期间矿压显现主要影响区域提出相应的卸压、支护措施,保障了现场施工的高效和安全。

基于图像识别技术的冲击地压危险区域智能化评价方法

针对传统冲击地压危险评价方法计算量大、危险区域划分精度低等问题,为适应冲击地压防治智能化、可视化的发展需求,提出了一种基于图像识别技术的冲击地压危险区域智能化评价方法。采用半定量化估算方法,对11项冲击地压危险的动静载主控因素进行量化表征;基于OpenCV机器视觉库和深度学习模型,实现对单一主控因素的图像识别;通过构建图像灰阶与应力集中系数的映射矩阵,实现对单一影响因素的线性与非线性叠加,得到评价区域的应力集中系数矩阵;采用min-max标准化法构建冲击地压危险区域的“无、弱、中等、强”4级判别标准,实现分级分区评价。基于Python语言开发了冲击地压危险智能化评价软件,并对软件实际应用效果进行了检验,结果表明:软件将传统仅针对巷道的一维线性危险区域划分方法改进为针对整个采掘空间的二维平面划分方法,显著提高了评价效率和危险区域划分精度,降低了人工成本;评价结果与微震能量密度云图、现场实测矿压规律一致性较高,可为现场冲击地压防治工作提供有效指导。

冲击地压矿井合理回采速度的确定方法研究

为了确定冲击地压矿井回采工作面合理的回采速度,通过分析冲击地压监测数据、冲击显现与工作面回采速度关联性,研究工作面见方效应、顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等对工作面回采速度的影响,探索工作面在实际生产中合理推采速度的确定方法。结果表明:冲击地压矿井合理回采速度的确定需要坚持“一矿一策、一面一策”的基本原则;在工作面见方等强冲击危险区域可依据实际监测数据及动力显现分析结果,选择动载扰动最小的回采速度作为安全回采速度;顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等措施有利于降低工作面动载诱冲风险,在确保防治措施效果,加强实时监测与分析的同时可适当提高回采速度;但即使采取多种防治措施,仍需注意对回采速度的合理管控,最大回采速度不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度;工作面短期停产与复采期间,微震事件恢复平稳存在一定滞后性,因此,应重视工作面短期停产、复采期间动力显现风险。

鄂尔多斯盆地北部沉积地质对矿井冲击地压的影响

鄂尔多斯盆地北部中深部矿井冲击地压问题已成为制约煤矿安全开采的关键因素。为明确沉积地质条件对矿井冲击地压的影响,为科学防治冲击地压提供依据,通过分析盆地北部中深部煤层覆岩沉积相特征及砂体展布规律,确定关键砂层分布特征,结合中深部侏罗系矿井微震事件,探究冲击地压与沉积地质条件之间的关联性。结果表明:微震能量事件主要发育在河道沉积区域,主砂体厚度和岩心采取率的变化与微震能量事件基本呈正相关,主砂体与煤层间距和微震能量事件呈负相关。认为盆地北部中深部矿井冲击地压受沉积地质条件控制,直罗组底部“七里镇砂岩”是矿井冲击地压防治预裂措施重点考虑的层位。

高承压含水层下近距离煤层顶板水害立体防控技术研究

为有效解决蒙陕地区深部侏罗系近距离煤层开采面临的顶板砂岩含水层高承压、富水性强且极不均一、隔水层薄等防治水难题,以呼吉尔特矿区某矿井为例,按照“断源截流、分区防控、层组治理”的思路,采用低位超前布局掩护疏放、上下煤层综合精细探查、统筹兼顾、优化探放水布设、上下煤层顶板疏放水效果定量化评价等一系列方式,探索出以区域和煤组为单位的大范围治理顶板水害立体防控技术,并通过某矿井11-3101、11-2201工作面安全回采对该体系进行了有效性验证,成功解放11-2201工作面103万t回采煤量,为高承压含水层下近距离煤层顶板水害防治工作提供了依据。

基于沉积控压规律的鄂尔多斯盆地中深部矿井冲击危险性分区评价

为解决鄂尔多斯盆地北部深埋煤层开采普遍面临的冲击地压问题,在煤层覆岩沉积地质特征研究基础上,以M煤矿为例,分析了微震事件的平面展布规律及其与沉积地质环境、主关键层厚度、主关键层与煤层间距、煤层厚度、岩心采取率之间的关联性,结果表明沉积地质条件是影响微震事件的重要因素。利用灰色关联度法对影响冲击危险性的5个主控因素进行了影响程度排序,采用层次分析法确定了各因素的权重值,在ArcGIS平台上建立了各主控因素专题图,构建了冲击危险性评价模型,对矿井的冲击危险性进行了分区评价,并与工作面开采过程中微震事件实际观测数据进行了对比验证,结果表明分区评价结果与实际观测结果吻合程度较高,证明了基于沉积地质条件分析的冲击地压危险性评价结果的正确性。研究结果可为矿井冲击地压防治工作提供一种新的参考方法。

基于改进局部变权理论的底板突水脆弱性评价方法研究

为更加科学地解决煤层底板突水预测评价难题,首先系统全面地查阅、比较了以往底板突水危险性评价理论与方法,并深入细致地分析了目前最为先进的基于局部变权理论的底板突水脆弱性评价方法,结果认为该方法在局部状态变权函数的构建、变权区间及调权参数的确定中依据不够充分,存在一定改进的空间;为此,基于现有理论与认识构建出了新型的三区间局部状态变权函数,将常权权重与常权相关系数加入到状态变权函数中,给出了基于主控因素归一值累积频率的变权区间阈值确定新方法,并采用在初步给定经验值的基础上根据评价结果不断调整确定调权参数最终取值的方法;其次,利用新型的三区间变权模型及其参数确定方法对研究区底板奥灰突水脆弱性进行了评价,圈定了相对脆弱区;最后,分析了改进后的变权模型的权重调整规律,并通过灵敏度分析的方法确定了常权相关系数的限定条件,结果表明,加入常权权重与常权相关系数的新型三区间变权模型不仅体现了现有变权模型权重随因素状态值及其组合状态的变化而改变的核心特征,还能够实现权重调整程度与常权权重呈正相关关系,说明本次对变权脆弱性评价模型的改进是科学的、可行的,研究成果对提升底板突水预测评价方法的科学性与实用性具有重要意义。

溃水溃沙多源信息评价与生产布局优化研究

针对我国现阶段煤矿溃水溃沙灾害预测评价方法单一、防治手段被动等问题,以薄基岩、厚松散层矿井为研究对象,从影响溃水溃沙致灾的主控因素出发,提出了以“沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度、渗透系数、采动影响指数”为指标的溃水溃沙危险性多源信息分区方法,建立了“区域转局部、高位截流接续”的超前生产布局优化模式,研究成果在神东矿区隆德煤矿成功应用,提高了煤矿溃水溃沙预警评价的精准度,为超前主动解决溃水溃沙问题提供了新理念。

西湾露天煤矿剥采边帮涌水超前治理技术研究与应用

为有效治理露天煤矿剥采面临的边帮涌水水害问题,以西湾露天煤矿边帮涌水治理为工程背景,通过抽水试验法和瞬变电磁法确定风化基岩和烧变岩地层为受注地层;利用钻孔电视成像仪对治理地层裂隙发育情况进行了探查,根据裂隙发育特征和露天煤矿爆破剥采方式综合确定了帷幕墙设计参数和超前预注浆施工工艺。结果表明:超前注浆治理工程实施后,受注地层透水率降为1.95~6.11 Lu,对应渗透系数小于0.0001 cm/s,矿坑东侧抽排水量基本稳定在10884 m^(3)/d,治理范围内仅1处出水点较前期堵水阶段减水率达92.12%,说明超前预注浆治理技术构建帷幕墙能够大幅增加浆液留存率,可对裂隙进行有效充填,阻隔地下水在边帮涌出。

切眼外错布置对工作面见方垮落影响研究

坚硬顶板的失稳下沉是工作面矿压显现的主要来源。在切眼外错布置条件下工作面的回采阶段,对顶板见方垮落时顶板垮落步距提出不同的计算方式。可明确出在切眼外错布置的条件下,当顶板的初次破断步距远大于“见方”来压时的步距大小,所计算求得“见方”垮落步距远高于以往计算出的垮落步距,其步距大小与两工作面切眼垂直距离相近。通过现场所收集的微震事件数据和支架阻力来验证,找到顶板见方垮落发生的时期和明显的特征变化,通过比对后可发现在外错条件下,工作面来压等异常现象有向后推延的现象。运用FLAC3D有限差分值计算方法来分析不同采动条件下支承压力的不同情况,证实切眼外错布置条件下工作面顶板见方垮落具有一定的“延迟”作用,从而为矿井在工作面见方期间,为防治动力灾害现象提供有针对性的指导。

黏土水泥浆水化固结微观特征研究

通过注浆堵水方式来治理陕北地区露天煤矿水害问题,以提高注浆堵水效果,对黏土水泥浆固结体的水化过程和固结机理进行研究。采用X射线衍射试验和扫描电镜试验相结合的方法,探究不同浆液配比与不同养护龄期的水化产物含量和固结体的微观形貌特征。结果表明:浆液的水化产物主要有水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石以及还没完全水化的石英SiO 2,随着水化反应的进行,C-S-H和钙矾石等凝胶物质含量逐渐增加,固结体强度增强;黏土多有利于固结体生成更多的凝胶团,加强结构的抗渗性;水泥加量过少,生成的硅酸钙等胶体微粒不足,大量黏土颗粒不能有效生成凝胶物质参与固化反应,导致固结体强度不足;随着水固比的增加,固结体的孔隙也相应变少变小;在黏土水泥浆水化期间生成了大量黏土-水泥球凝胶团以及C-S-H凝胶,黏土-水泥球凝胶团之间相互吸附、连接成片,同时C-S-H对裂隙进行填充并连接成网。黏土水泥浆液水固比1.5∶1,水泥加量为20%~40%时,浆液固结体的阻水效果优异,可为工程实践提供参考。

深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

为解决目前蒙陕矿区深部侏罗系矿井采后采场落地水量大、煤水混杂,以及上部煤层距离强含水层较近,无法安全掘进与回采等一系列问题,提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术。应用沉积控水规律,分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律,在此基础上,针对煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征,通过构建含有沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标在内的评价指标体系,提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法,进而根据“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水思路,提出了“上行开采低位截流”、“工作面单侧截流”、“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”4种地下水截流治理模式,最后以蒙陕矿区的门克庆矿井和母杜柴登矿井进行实例分析。应用结果表明:①直罗组一段砂岩含水层主要为河道相沉积,砂体的空间连续性较好,是深部侏罗系矿井的主要充水含水层;②门克庆矿井首采区3 -1 煤顶板涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部,呈东西向条带状展布,与实际情况较为吻合;③根据门克庆矿井首采区涌(突)水危险性分布规律,应用了“工作面单侧截流”与“上行开采低位截流”两种治理模式并分析了其在实际工程中的应用效果。深部侏罗系矿井水害防治作为一个复杂的系统工程,以源头防控为重点的系统防治技术体系仍是深部侏罗系矿井水害防治需要重点攻关的研究方向。

巨厚推覆体下奥灰水害探查治理定向钻进技术

为有效治理新集二矿巨厚推覆体下底层煤开采面临的奥灰水害问题,依据在空间上以采区为单元的区域治理、在时间上超前治理和在注浆对象上由煤层底板CⅠ3和CⅡ3转变为C312灰岩的治理原则,采取地面定向钻进技术对2201和2301待采区施工2个主孔、26个分支孔,累计进尺为28562.42m,累计注入水泥量为6278.13t。研究结果表明:地面定向钻进探查注浆技术实施后,区内观测奥灰水位的水0101长观孔水位较注浆前上涨了68.37m,太原组灰岩含水层富水性明显减弱,井下探放水钻孔单孔涌水量均小于5m3/h,保障了2201和2301采区10个工作面能够安全回采,解放煤炭资源储量约952.5万t。

基于微震事件“时-频-能”特征分析的工作面隐伏断层预测研究

为了弄清煤矿井下无法被有效探测的隐伏断层,依据大量的微震事件分析,提出了使用微震监测预测工作面隐伏断层探测的方法,采用离散傅里叶变换(DDT)、一维离散小波变换(DWT)和能量密度法实现微震事件的时域、频域及能域曲线之间的转化。研究结果表明,微震事件的时域曲线呈现波峰少、震动持续时间长、尾波发育的特征;频域曲线呈现频段集中于0~20Hz、单峰的特征;能域曲线呈现"缺震"区间增多、波动时间变长的特征时,工作面前方可能存在隐伏断层。据此分析了星村煤矿3307工作面微震事件波形曲线的突变原因,推断工作面前方存在隐伏断层,工作面后续揭露的F2隐伏断层验证了此推断。

深埋近距离煤层开采底板破坏深度确定方法研究与应用

针对鄂尔多斯盆地深埋条件下煤层采动底板扰动破坏深度难以确定的问题,分别采用“三下”规范经验公式、多元线性回归模型、塑性力学理论公式计算、数值模拟和钻孔窥视探测等方法,研究了煤层采动底板破坏深度。研究结果显示,数值模拟结果与实际探测窥视结果较为接近,但该方法流程复杂,应用难度较大;钻孔探测窥视结果为实测值,可信度最高,但施工及观测困难,不宜作为常用手段;而塑性力学理论公式计算结果与实际探测窥视结果基本一致,且计算方便,可适用于近距离深埋煤层底板破坏深度的计算,从而为采空区探放水设计及底板灾害防治工作提供理论依据。

区段煤柱对沿空巷道动力显现影响机制研究

为了探究不同宽度区段煤柱对沿空巷道动力显现影响的机制,结合鄂尔多斯中深部矿井不同宽度区段煤柱冲击地压工作面实测数据,从覆岩破裂与采动应力场关联性角度进行了研究。研究结果表明:煤层上覆坚硬砂岩组破断时释放的动载荷耦合集中静载荷区弹性应变能是为沿空巷道近距离超前段频繁动力显现的主要原因;采用较小区段煤柱有利于避免沿空巷道集中动载荷与高静载区域重合,从而降低沿空巷道动静载叠加诱冲风险;小煤柱工作面邻空巷巷道围岩变形相对更为超前,现场应重视小煤柱工作面沿空巷道超前支护距离及正帮侧的卸压工作。

基于关键层破断判别模型的矿震事件规律研究

煤矿矿震事件的频繁发生严重制约煤矿的安全高效开采,为了探究厚硬砂体关键层相关参数与矿震事件之间的关系,以蒙陕矿区门克庆煤矿作为典型矿井,基于弹性薄板理论,将七里镇砂岩主关键层概化为弹性薄板,分析其弹性势能集聚、破断、跨落、碎胀过程,构建了关键层破断-弹性势能释放-能量事件发生临界判别模型。FLAC^(3D)数值模拟和微震实测数据分析结果均表明关键层厚度与矿震事件之间具有明显的关联性,即大能量矿震事件多发生在一定的关键层厚度区间内,关键层厚度过大或过小,产生矿震大能量事件的概率均明显降低。研究结果对于煤矿矿震及冲击地压的预测预报工作具有一定的借鉴意义。

深部矿井水地下调蓄系统研究

针对蒙陕地区深部矿井涌水量大、污水比例高、资源化利用率低等问题,研究利用采空区建设地下调蓄系统以稳定矿井涌水量、净化污水、降低水处理压力、提高矿井水利用率。根据煤层埋藏和开采条件,从调蓄系统建设条件和选址原则、容水量计算、水质保障、隔离工程建设条件、强矿压影响、安全性保障、经济和环境效益等角度,对矿井水地下储存、净化与调蓄进行了可行性研究。利用呼吉尔特矿区门克庆煤矿采空区建设形成矿井水调蓄系统示范工程,取得了良好的经济与环境效益。