似膏体充填开采防止高承压底板水突出研究

以曹庄煤矿81006工作面为试验研究对象,开展了以防止高承压底板水突出为目的的似膏体充填开采系统及工作面底板破坏深度探测研究。研制了以胶固料、矸石粉、粉煤灰为原料的充填材料,构建了地面及井下2部分充填系统,实现了物料的添加、搅拌、输送的自动控制。采用钻孔双端封堵测漏装置,对似膏体充填开采工作面(81006工作面)和顶板垮落法开采工作面(8812工作面)的底板破坏深度进行了现场实测。结果表明,在似膏体充填开采条件下,矿山压力对工作面底板破坏深度显著减小。基于"下四带"理论,分析了似膏体充填开采条件下矿山压力对底板破坏深度减少的机理,证明了似膏体充填开采是防止高承压底板水突出的有效措施。     

露天边帮煤井工长壁综放开采工作面顶板压力计算

受露天矿剥离和内排回填的影响,采用井工长壁采煤法回采露天矿边帮煤的采煤工作面的顶板结构、覆岩活动规律、矿山压力显现规律与常规井工矿井地层条件下的工作面相比存在显著差别,因此,顶板压力计算方法也需要根据露天矿边帮煤特殊的顶板覆岩结构特点和应力场环境进行理论和实验研究。以黑岱沟露天矿一采区西帮和南帮煤为研究对象,分析其边帮煤层顶板覆岩结构特点。对于经过内排回填,且剥离较多的低台阶处煤层仅保留较薄且强度较低的基岩顶板,其上覆盖厚层的松散排土。这种软弱薄基岩厚松散覆盖层的顶板本质上不存在关键层,露天矿台阶下保留的软弱薄基岩仅仅作为井工长壁工作面的直接顶提供有限的保护作用。由于厚层的松散排土载荷作用,软弱薄基岩的破碎也较为严重。按照传统的矿山压力理论,这种不存在关键层的软弱薄基岩厚覆盖层的顶板压力应当按照支架上方全部岩层重量进行计算。然而,根据相似材料实验结果显示,支架实际受压比其上方岩层重量小得多。实验证明在没有关键层的顶板岩层中仍然存在某种保护结构。根据实验观察和矿山压力理论分析,结合放矿理论,提出了软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型。在露天矿边帮下煤层还存在另一种未进行内排回填的薄基岩无覆盖层的顶板覆岩类型。对于这种顶板覆岩类型,提出了薄基岩无覆盖层的台阶式悬臂梁结构和直接顶自承能力的混合力学模型。本文总结了露天矿边帮煤层3种顶板覆岩类型,推导建立了露天边帮煤井工长壁开采工作面3种顶板结构条件下的顶板压力计算解析公式。按照软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型计算的顶板压力与相似材料实验结果相吻合。考虑了直接顶自承能力计算的顶板压力比传统不考虑直接顶自承能力的顶板压力小约14%。采用实验和理论分析方法,对露天边帮煤井工长壁工作面开采过程顶板垮落、覆岩活动,顶板压力计算等矿山压力问题进行了系统研究。     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

旧采残煤综合机械化长壁复采的几个问题

为解决目前我国大面积旧采残煤如何实现安全复采的问题,通过分析以往我国井工开采煤矿采用房柱式、条带式等旧式采煤方法开采后的残煤资源总量及其埋藏深度,初步得出我国残煤资源总量达802亿t,80%为埋藏深度150 m以浅的残煤赋存基本特点,以及赋存残煤资源老矿井的采空区瓦斯、水及顶板的赋存特征。并在此基础上提出了旧式残煤长壁综合机械化开采方法、分区布局、采空区积水与积气的分区处置原则与方法。以山西阳城西河煤矿旧采残煤区复采为例,通过太原理工大学研制的大型三维相似模拟试验台,以三维相似模拟的方法,进行了针对旧采残煤综采复采两类工作面布置方法进行的三维相似模拟试验研究,给出了工作面长度方向平行与30°角斜交采空区空巷2种走向布置方式时,旧采长壁复采采场的顶板垮落形态、垮落方式、垮落步距,特别是架前垮落概率和对支架影响的新的特征与规律。得出旧采残煤综合机械化开采工作面长度方向与采空区空巷应成30°以上角度斜交布置,即可顺利实现旧采残煤的综合机械化复采。     

小窑破坏区充填复采工艺研究

 摘要：针对许多矿区存在的小窑破坏区对煤炭资源开采的严重影响,结合井工二矿特厚煤层综放工作面过小窑采空区具体条件,提出采用瑞米充填材料注浆充填小窑破坏区,这可使具有流动性的浆液自行流入松散煤堆和冒落矸石中,凝固后的充填体能有效的与煤堆和冒矸胶结,具有一定的完整性。建立力学模型,理论分析计算充填形成的再生顶板的厚度下限,计算结果的可行性在工程实践得到验证。结果表明,注浆充填复采技术是处理小窑破坏区的一种先进方法,能最大限度回收小窑破坏区遗留的煤炭资源,是符合绿色开采方向的成果。     

特厚煤层综放开采上覆岩层导水裂隙带高度研究

针对老虎台矿区复杂地质条件和特厚煤层综放开采方法,应用数值模拟方法对综放开采诱发的导水裂隙带高度进行了研究。根据所得的应力结果确定了导水裂隙带高度并对其演变规律进行分析。应用现场钻孔注水实验结果对其进行验证,结果基本一致,从而可以确定所得上覆岩体导水裂隙带范围和高度的合理性,可用以指导后续开采的设计和安全防护。     

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明:大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80~192.12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈"台阶"型。     

薄煤层超高水材料充填开采相似模拟试验研究

以山东某矿煤岩赋存条件为原型,取线性比Cl=1/150、时间比Ct=1/150、强度比CR=143×10 -3进行了薄煤层（厚度1.2 m）超高水材料充填开采相似模拟试验研究。设计了试验参数及超高水材料在模型采空区的充填方法,揭示了薄煤层超水材料充填开采采场覆岩及地表活动规律,并与类似条件下的垮落法开采进行了对比。结果表明：与垮落法开采相比,超高水材料充填开采时工作面超前支承压力的影响范围缩小且峰值明显降低,工作面后方上覆岩层稳定时间缩短,没有出现垮落带与明显断裂带;该技术能将地表移动和变形控制在规定要求的范围内,提高充填率有助于降低覆岩活动与地表变形程度。     

综采一次采全高覆岩导水裂缝带高度综合探测及其演化分析

为了保证煤矿的安全生产,采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统2种方法,对何家塔煤矿5-2煤层采后不同时期覆岩导水裂缝带高度特征进行了综合探测;同时开展了厚煤层分层开采及厚煤层放顶煤开采统计公式法与实测结果的差异性特征分析及其适应性论述;并对采后不同时期覆岩破坏裂缝带高度演化特征进行了分析。研究结果表明:何家塔煤矿5^-2煤层采后覆岩破坏导水裂缝带高度为74.33 m,裂采比为21.24。厚煤层分层开采公式法和厚煤层放顶煤公式法计算结果与综合探测法实测结果相对误差分别为36.23%和7.62%。在没有现场实测数据的前提下,研究区覆岩破坏导水裂缝带高度可参考厚煤层放顶煤开采公式计算。停采时间相对较短情况下,覆岩导水裂缝带高度发育较大,裂缝规模较为明显,随着停采时间的推移,由于压实作用,覆岩导水裂缝高度会逐渐降低,裂缝规模逐渐减小。     

厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度

导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数,为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度,以某矿11915工作面为例,综合运 用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段,对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的 钻孔漏失量变化规律,结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度,并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m),软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m,垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02,垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段,覆岩裂隙带以离层的形式向上发育,以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征,是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的,但需要观测设备需要满足一定的封孔压力,封孔胶囊具有足够长度,并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲,钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法,但施工量大,成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度,并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析,获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用,降低导水裂隙带高度的探测成本。导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数,为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度,以某矿11915工作面为例,综合运用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段,对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的钻孔漏失量变化规律,结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度,并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m),软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m,垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02,垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段,覆岩裂隙带以离层的形式向上发育,以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征,是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的,但需要观测设备需要满足一定的封孔压力,封孔胶囊具有足够长度,并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲,钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法,但施工量大,成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度,并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析,获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用,降低导水裂隙带高度的探测成本。     

薄基岩综放采场直接顶结构力学模型分析

为深入研究薄基岩综放采场矿压显现规律,以山西潞安矿业集团司马煤矿薄基岩区厚煤层开采为研究背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对薄基岩综放采场直接顶结构特征进行了研究,建立了薄基岩综放采场直接顶结构力学模型,分析了直接顶“半拱”式平衡结构的形成机理和破断规律。结果表明：根据司马矿薄基岩区直接顶厚度和岩层性质不同,将直接顶划分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型;采高6.5 m,直接顶厚度大于15 m时,容易形成“半拱”式平衡结构,采场矿压呈现出来压步距短、静压大、动压小、动载系数小等特征,“半拱”结构有规律的破断失稳是薄基岩综放工作面矿压显现的根源,该结论解释了司马煤矿薄基岩综放采场的矿压显现规律。     

固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动影响分析

通过建立计算机数值模型模拟固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动规律,观测不同工作面推进距离上覆岩层移动特征,对比长壁开采与充填开采关键层移动,分析充填开采关键层运动与上覆岩层移动特征。由于采空区被矸石和粉煤灰等材料所充填,充填工作面矿压显现和上覆岩层移动规律与一般垮落法管理顶板明显不同。研究表明：胶结充填开采工作面周期来压步距大,来压强度不明显;关键岩层弯曲下沉,不会出现岩层破断现象。上覆岩层移动范围明显减小,对地表变形能有效控制。     

水体下厚天然焦崩落法开采可行性研究

 以某矿3#中厚天然焦开采试采区地质采矿条件为背景，通过理论分析和数值模拟方法研究了大面积厚层天然焦崩落法开采顶板突然破坏导致的覆岩破坏特征和发育高度，为水体下崩落法采煤提供了理论依据和安全保障。     

松散层下覆岩裂隙采后闭合效应及重复开采覆岩破坏预测

为研究开采覆岩裂隙发育的时间效应和为残煤复采评价提供依据。采用彩色钻孔电视、冲洗液漏失量观测、岩芯RQD指标等对厚松散含水层下煤层开采15 a后的覆岩裂隙闭合效应进行了研究。结果表明：距煤层顶板较远的岩体裂隙张开度、裂隙率均较小且易闭合,距煤层顶板较近的岩体裂隙张开度大、裂隙率大且未能闭合,开采15 a后覆岩导水裂隙高度比煤层开采结束时的最大导水裂隙带高度降低了近40%,垮落带高度稍有降低。对比分析发现,开采后的覆岩岩块平均强度比开采前降低了约20%,采用Hoek-Brown经验公式换算得到破碎岩体单轴抗压强度仅为0.237 MPa,破碎岩体抗压强度已小于自重应力值,处于“潜塑”状态。因此,残留煤层的重复开采覆岩破坏高度计算时,覆岩应按软弱岩类型考虑。计算表明,杨庄煤矿3号煤层复采厚度2和3 m时,分别留设15.7和18.2 m的防砂安全煤柱即可起到防溃砂作用。     

河下综放开采覆岩破坏发育特征实测及模拟研究

下沟煤矿位于泾河下的煤炭资源,采用综放开采,现有的导水断裂带高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求。为了掌握泾河下特厚煤层大面积综放开采的覆岩破坏发育特征,实现水体下安全回采,在研究区工作面不同位置布置了5个采后“两带”孔,进行了钻孔冲洗液漏失量和彩色电视观测,并通过物理模拟进一步研究了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方式的覆岩破坏过程。观测和模拟结果表明：隔离煤柱有效地控制了覆岩破坏发育高度,成为泾河下压煤安全回采的关键。根据得出的单工作面最大裂采比,并通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。     

似膏体管道自流充填技术在孙村煤矿的应用

介绍了孙村煤矿综采工作面的似膏体管道自流充填技术,论述了其充填步距、充填工艺机理流程、充填措施及充填效果,实现了充填开采降低地面污染、减少地表下沉、提高资源回收率、延长矿井服务年限的目的,该技术意义重大,具有推广应用价值。     

似膏体充填开采工作面来压特征分析

为分析似膏体充填开采工作面的矿山压力显现特征,以西马煤矿1327工作面为研究对象,采用现场实测的方法开展研究。首先在工作面开采过程中设计科学的工作面观测方案,工作面布置10个测点构成10条工作面压力观测线。对10个观测线的数据进行综合分析,分析结果显示,周期来压的步距大约是18.5 m,动载系数为1.12,由于动载系数很小,对生产不会产生太大影响;该矿区垮落法开采时动载系数为1.9~2.8,充填开采大幅度降低了周期来压期间的动载系数,减少了开采过程中的覆岩活动的剧烈程度。可以得出:似膏体充填开采工作面在推进过程中同样具有周期来压特征,改变了以往"似膏体充填工作面没有周期来压"的认识。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

短壁矸石胶结充填开采技术与应用

针对我国煤矿“三下”压煤量大、村庄搬迁困难，长壁充填开采投资大、地质条件适应性差、采充相互干扰等问题，通过理论分析、室内试验、数值模拟和现场实测等手段，提出了短壁矸石胶结充填技术，研究了材料配比、支巷参数、围岩应力场演化和地表变形规律，主要结论如下：① 充填浆料最佳配比为1∶1.5∶4，与矸石1∶2混合后充填支巷；② 基于极限强度理论确定支巷最佳宽度为5 m；③ 数值模拟表明：开采过程中煤壁超前支承压力峰值为13.1 MPa，开采奇数巷时充填体受力1.6 MPa，开采偶数巷时受力10.4 MPa，顶板塑性区5 m，底板破坏带深度5 m，呈现W-波浪形分布；④ 现场实测表明：支巷超前支撑压力为19.7 MPa，位于支巷前端4.6 m，顶底板最大移近量116.3 mm；顶板在0~5.7 m范围内产生少量断裂微裂隙，离层不明显，只发生弯曲下沉，不存在垮落带；⑤ 充填材料来源广、矸石不外运，实现了采充平行作业。该方法在内蒙古裕兴煤矿得到了广泛的应用，有效缓解了长壁充填开采带来的弊端，以较小吨煤成本，获得较大的经济和环境效益。     

特厚煤层放顶煤开采的试验

放顶煤回采工艺参数的合理选取，对顶煤的有效回收起着重要的作用。采用实验室相似模拟的方法，从采放比、放煤步距等决定顶煤垮落空间的因素和顶煤块度等方面分析了其对顶煤垮落的影响，为特厚煤层综放开采顶煤回收率的提高提供理论依据。