邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题,以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景,通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件,获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素,确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律,进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征,顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大,底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展,顶板垮落易产生强烈来压动载效应,底板采动破坏深度和宽度增大,诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏,贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此,提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明,试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m,相比邻近未压裂工作面减小了61.42%,来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小,奥灰水位相对稳定,未形成底板突水通道,底板突水得到有效控制。     

承压水上充填开采底板破坏特征研究北大核心

为探索充填开采对底板破坏深度的影响及对突水灾害的控制效果,结合理论计算、数值分析和煤矿现场观测等方法对某矿A工作面承压水上充填开采底板破坏特征进行了综合研究;通过理论计算推导出了充填开采工作面底板最大破坏深度计算公式;通过数值模拟对充填开采和非充填开采时底板破坏情况进行了对比研究,通过现场实测分析了充填开采时底板岩层的实际变形破坏特征。结果表明:充填开采时,采场围岩的采动卸压范围、顶底板移近量明显减小,围岩应力集中程度降低,底板破坏深度并未随着推进距离的增加而持续纵向发展;由于充填体的应力传递和支撑作用,A工作面开采对底板的损坏影响得到减缓,破坏深度未连通下部含水层,可实现安全回采。     

膏体充填条带开采技术

为了解决煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制煤矿开采地表沉陷和保证承压水上采煤的安全性,提出了煤矿膏体充填的条带开采技术,该技术以煤层顶板(关键层)、受承压水影响的底板极限垮落步距和条带煤柱留设的理论为原则,设计了膏体条带充填的充填宽度和留设宽度,并对影响条带充填体稳定的充填体尺寸、物料的配比、充填体空间的围岩岩性、地质构造和充填体侧向应力等因素进行分析。理论分析证明该技术构成的"煤层底板—充填条带—上覆岩层—主关键层"的结构体系能够有效控制地表下沉和减少底板破坏深度,达到承压水上建(构)筑下安全采煤的需求并最大程度地减少充填开采成本。     

超高水材料袋式长壁充填开采覆岩控制技术研究与应用

系统分析了超高水材料袋式充填开采采场覆岩结构的特点,得出了工作面支架需控岩层范围及其变化特征,揭示了长壁充填开采“支架-围岩”关系,明确了提高充填率是超高水材料袋式充填开采覆岩下沉控制的关键因素。结合亨健矿2515工作面充填开采地质与开采技术条件,开发并实施了隔板布置优化、采空区埋管补注浆充填、离层区打钻补注浆充填等充填率保障技术与工艺。现场实测结果表明,超高水材料袋式充填开采工作面矿压显现缓和、采场围岩破裂范围较小且能有效控制地表下沉：① 工作面巷道顶底板最大移近量为258 mm,两帮最大移近量为183 mm,围岩变形较小;② 微震监测系统表明,2515工作面超前破裂范围为20~30 m,围岩破裂高（深）度为顶板以上40 m至底板以下10 m,1个月后（推进距离60 m左右）已充填区域微震事件逐渐消失;③ 地表最大下沉量为265 mm,实测下沉系数为0.06。     

村庄下膏体充填开采技术应用研究

朱村矿进入后期生产后,可采储量少,村庄建筑物下呆滞储量多,为进一步挖掘储量,延长矿井服务年限,采用膏体充填开采技术。理论分析了朱村矿充填开采后隔水层厚度和底板最大破坏深度,根据朱村矿的地质条件,选择了合适的充填材料及充填工艺,并在54采区进行工业性试验。实践表明:工作面采用膏体充填后,巷道顶底板变形量小,工作面直接底破坏深度小于5 m,能够有效防止底板L₂灰岩强含水层突水,随着充填技术的成熟,地表沉陷量逐渐减小,地表建筑物的破坏控制在Ⅰ级范围内,充填效果良好。     

短壁跳采胶结充填围岩运动规律研究

针对我国"三下"压煤量大,开采成本高、工序复杂等问题,以某矿建筑物下压覆9~#煤层为工程背景,提出短壁跳采胶结充填开采方法,并对煤柱和充填体协同作用机理及围岩运动规律进行了研究。主要结论如下:工作面支巷设计宽度为5 m,长度为90 m,全厚开采;步骤一采留比1∶3,顶板变形最大14.1 mm,呈波浪形分布,底鼓不明显;步骤二采留比1∶1,顶板位移量最大30.9 mm,底鼓量2.3 mm;步骤三全采全充,顶板位移呈凹陷形分布,最大位移109.1 mm,底鼓最大10.3 mm;开采过程中煤柱应力呈阶梯状分布,呈波浪形向深部转移,充填体应力阶梯状跳跃增大;短壁全采全充后上覆岩层以弯曲下沉为主,直接顶没有发生明显的冒落;底板破坏呈现W-波浪型,矿压破坏带为0~2.2 m,煤柱两侧塑性区1.0 m。     

固体充填开采支架与围岩关系研究

分析了充填开采支架与围岩关系和上覆岩层移动特征,确立顶板载荷估算方法,并通过充填开采实例进行验证。研究表明：充填工作面周期来压步距大,来压强度不明显;直接顶随着工作面推进逐渐冒落,垮落步距相比于普通综采工作面显著增大;基本顶以缓慢下沉形式发生弯曲变形,上覆岩层移动范围明显减小。支架高工作阻力可以控制顶板的下沉量,保证良好的充填效果,进而减小覆岩破坏高度,控制地表变形。     

条带充填法隔水层稳定性数值模拟分析

以运河煤矿7311工作面为工程背景,运用FLAC~(3D)数值模拟软件分别模拟条带置换充填开采及条带法开采下的覆岩破坏规律。结果表明:导水裂隙带发育高度与开采宽度呈线性关系;条带置换充填开采与条带法开采都能有效控制导水裂隙带的发育高度,抑制覆岩破坏;基于安全生产和合理开发资源的目的,条带置换充填开采方式更适用于实际工程。     

承压含水层下大倾角煤层条带开采参数设计与实践

为了研究新河煤矿承压含水层下大倾角煤层开采导水断裂带发育问题,采用FLAC3D数值模拟软件,对不同条带开采参数时上覆岩层破裂发育演化规律进行研究。结果表明:当工作面宽度为30 m,煤柱留设宽度为30 m时,工作面顶底板变形破坏范围明显减小,导水断裂带发育高度为30 m,与上部含水层距离为22 m。现场实践表明,在钻孔深度为67～96 m范围内钻孔平均漏水量为4 L/min,导水断裂带最大发育高度为32 m,工作面顶板导水断裂带得到了有效控制,确保了新河煤矿承压含水层下大倾角煤层的安全开采,有效防止了突水事故的发生。     

建筑物下超高水材料充填体稳定性研究

针对建筑物下3603超高水材料充填开采工作面,经在采空区内布置顶板变形仪和压力传感器,对充填体进行监测研究,得出超高水充填体在工作面中部压缩变形量和应力比端部高;充填体压缩变形量及应力随工作面的向前推进而增加,且在初期总体上均呈线性关系,达一定距离后,逐渐趋于稳定;超高水充填体能有效控制顶板下沉,减缓上覆岩层向下移动,能对地表变形起到很好的控制作用。     

新集二矿1煤组采场底板应力场分布及破坏特征研究

为了研究1煤组采场底板的应力场分布及变形破坏特征,基于新集二矿220108采煤工作面的实际工况,运用有限差分数值模拟软件FLAC构建二维数值模型,得到煤组采场底板应力场、位移及塑性破坏带的分布云图。结果表明:工作面开挖以后,在上覆岩层和下部承压水耦合作用下,底板形成一定范围的拉应力区,采空区两端产生剪应力集中区,底板发生底鼓变形,随着工作面的推进,拉应力区范围增大,剪应力集中区也不断向底板延伸,采空区底板垂直位移最大可达844.5 mm,可能会导致底板隔水层发生破坏;围岩的塑性破坏带最先出现在采空区两侧,随着工作面的推进,塑性破坏带范围逐渐增大并向底板扩展延伸,当工作面推进到100 m时,底板隔水层两端的塑性区相互融合,成为导水通道。     

超高水材料开放式充填开采围岩成拱特性研究

超高水材料开放式充填开采在临沂矿业集团田庄煤矿11611工作面试用成功,充填开采后,采场矿压显现程度明显降低,地表建筑物破坏等级均控制在国家规定的允许范围内。以田庄煤矿超高水材料充填开采为背景,利用有限元ANSYS软件和相似材料模拟对超高水材料充填开采后采场围岩的成拱特性进行了研究。结果表明,超高水材料充填开采后,充填体能够将围岩中的裂隙充填密实,从而使充填体、垮矸、围岩三者形成一个新的平衡体系,围岩的成拱系数量级较小,围岩受扰动小,大部分围岩处于小变形状态,上覆岩层的弯曲变形量不足以超过其极限挠度值而发生断裂现象,因而能够有效控制岩层的运动。     

承压水上膏体充填率与充填体强度对底板破坏深度的影响

为解决承压水上安全开采问题,提出利用膏体充填方法,抑制底板破坏深度,减少突水危险的方法;针对岱庄煤矿下组煤1160采区受承压水威胁的地质条件,利用FLAC~(3D)三维模型,基于不同膏体充填的充填率与充填体强度,模拟了不同推进作业空间宽度下,应力分布、塑性区分布以及位移分布规律。模拟结果表明:当充填率达到95%,充填体最终强度提高到4 MPa时,工作面围岩应力集中系数在2左右,顶底板移近量为200 mm左右,底板破坏深度约为4 m。     

矿井电剖面法探测工作面底板破坏深度的应用

为研究承压水上带压开采工作面底板破坏深度,确保有突水威胁的矿井能安全开采,基于底板马鞍形破坏规律和直流电法测试原理,通过在五阳煤矿7601工作面安装电极电缆观测底板岩层视电阻率,研究了工作面回采过程中底板岩层电性特征的变化。结果表明:五阳煤矿7601工作面底板破坏深度为26.7m,该研究结果对五阳煤矿底板奥灰水防治具有积极指导意义,证明矿井电剖面法观测底板破坏深度是可行的,是一种值得推广应用的底板破坏深度观测方法。     

空场嗣后充填法充填体对围岩移动控制作用时空规律研究

以某铁矿-230~-290 m首采中段工程为研究对象,采用现场多点位移计监测及数值模拟相结合的方法,针对大直径深孔阶段空场嗣后充填法充填体对采场围岩移动控制作用的时空规律进行了研究,建立了上覆岩层移动控制的支承压力三维力学结构模型。研究结果表明,15 m宽度的采场结构只要在延滞期内及时充填,围岩的移动变形能够得到有效控制。矿体下盘成为支承上覆岩层的主要承载结构,胶结充填体支承上覆岩层的能力有限,但能够有效限制上覆岩层的移动变形,矿房和矿柱采场围岩最终变形量无差异性,覆岩最大下沉量39 mm,地压显现不明显。     

充填开采覆岩变形监测及控制效果影响因素分析

基于唐山矿矸石充填综采工作面工程背景,通过现场监测分析了矸石充填减沉控制效果,建立覆岩变形力学模型,并对覆岩变形影响规律进行分析。研究结果表明,覆岩达到稳定时,充填体的支撑作用明显限制了覆岩运动,矸石压缩高度约占充填高度的12%;充填开采条件下,覆岩发生明显离层破坏的高度约占采高的6倍,岩层开裂性破坏集中发生在采空区后方80m范围内;通过降低充填前欠接顶量和提高充填体地基系数可显著降低覆岩沉降量。     

断层影响下底板突水通道研究

基于岩体极限平衡理论,综合考虑断层本身性质和矿山压力中应力降低区的作用,解得底板隔水层的极限水压解析式,推导出底板突水力学判据,结合华泰煤矿7502工作面,解得底板隔水层的极限水压大于实际承压水水压,底板隔水层中没有形成突水通道;基于FLAC3D流固耦合理论,建立了断层影响下煤层开采的数值模型,得出断层带中的承压水导升高度(8m)较正常岩层(6m)高,断层影响下底板岩体应力呈非对称分布,断层附近的底板采动破坏深度(24m)大于未受断层影响的底板破坏深度(20m),底板破坏区与断层导通,承压水通过断层进入破坏区,形成突水通道,发生底板突水。结果表明:断层影响下的底板突水,往往不是底板隔水层破坏导致,而是承压水通过断层进入采动破坏区所致。     

多煤层开采覆岩变形破坏规律的数值模拟研究

针对霖源煤矿煤层多、厚这一地质条件,利用FLAC3D软件,从应力变化、裂隙带发育、垂直位移等方面系统地分析了2个主采煤层开采过程中上覆岩层及围岩的采动变形破坏规律。模拟结果表明:仅开采7煤时,导水裂隙带发育高度约为10 m,7煤上覆岩层的最大下沉量约为24. 67 mm;7煤开采后开采10煤时,7煤的导水裂隙带发育高度与7煤单一开采时无明显变化,而上覆岩层的下沉量有明显的增加,底板底鼓量有所减小。     

深部煤层底板突水机理及防治技术研究

针对协庄煤矿十三煤层开采易受底板承压水威胁的问题,首先根据矿井的水文地质条件,从理论上分析了煤层底板突水的机理;然后由现场观测、经验公式法计算的方法得到十三煤层底板岩体的破坏深度为19.76 m。使用FIAC软件,在有无承压水的情况下分别对长度为40~200 m的工作面进行模拟,取得破坏的深度和范围。最后在此基础上提出了以工作面斜长40 m的条带开采为主,辅以必要的帷幕注浆的防治水技术,使十三煤层的突水系数控制在0.057~0.104 MPa/m,表明该方案有效防止了底板突水。     

马堡矿15^#煤带压开采数值模拟研究

针对马堡矿地质构造复杂,主要岩溶含水层富水性强,下组煤距下伏奥灰很近,煤层开采面临着奥灰突水严重威胁的情况,运用数值模拟的方法,研究了工作面斜长对底板破坏规律与突水机理的影响,并对15号煤带压开采进行了安全性评价。研究结果表明:工作面斜长分别取160 m与110 m时开采15号煤产生的采动破坏带均会与承压水导升带贯通,隔水层丧失阻隔水性能进而导致底板突水,而工作面斜长为60 m时则不会发生底板突水。因此,可通过采取控制工作面斜长的方法提高带压开采的安全性。