煤层露头区域薄基岩工作面顶板水害治理方案

基于对煤层露头薄基岩区域水文地质条件与上覆含水层、隔水层物理力学性质分析基础上,确定该区域煤层顶板含水层富水性的判据。以河南能源集团赵固二矿煤层露头区域薄基岩工作面为背景,通过针对煤层顶板含水层不同的富水性合理留设防隔水煤(岩)柱,并与施工井下顶板探放水钻孔相结合的治理方案,综合治理矿井顶板水害。结果表明,该方案成功治理露头薄基岩区域顶板水害,消除矿井溃水溃砂威胁。     

浅埋深薄基岩厚煤层综放开采防充水溃砂技术研究

以新疆伊犁四矿为研究对象,对21103工作面21-1煤厚煤层在浅埋深薄基岩条件下综放开采的防溃砂技术进行了研究,通过对煤层顶板含水层赋存规律进行总结分析,根据含水层的赋存特征对工作面进行块段式划分,提出了以控制覆岩破坏发育高度为主要原则的限厚开采方案,实现了矿井的安全开采。     

隔水层裂隙演变机理与过程研究

以神东矿区浅埋煤层采矿地质条件为例,研究采动覆岩中软弱隔水岩层裂隙演变的力学机理与规律.在分析浅埋煤层薄基岩顶部风化带岩层的隔水性和覆岩裂隙发育规律基础上,建立平板力学模型,采用薄板理论中的差分法,应用应变分析原理,结合下伏垮冒岩层的弹性地基特性,研究了薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩活动规律和软弱隔水层板的裂隙演化机理及...     

薄基岩浅埋煤层覆岩运移流固耦合模拟实验

以石圪台矿薄基岩浅埋煤层为研究对象,解决了模型的密封性,实现了水压和水体的灵活加载,找到了隔水层材料配比。通过实验再现覆岩裂隙萌生、扩展及贯通全过程,上覆岩层不存在普通煤层开采的"三带",只存在垮落带和裂隙带"两带",导水裂隙带高度为6-16.4倍采高;顶板含水层使覆岩首先产生张裂隙,最终在采空区两端形成突水通道,造成顶板突水溃砂灾害。     

榆神矿区浅埋煤层多重水体下大采高综采水害影响评价

榆神矿区3煤顶板多重水体并存,对区内浅埋深厚煤层开采构成了水害威胁。以榆神矿区某矿为例,煤层顶板赋存有3类共6重水体,通过分析覆岩水体的赋存条件,确定了不同水体的富水性特征。基于3煤覆岩结构和类似条件矿井开采实践,预计了薄基岩厚土层条件下3煤7m大采高综采的覆岩破坏高度,计算了不同类型安全煤岩柱的尺寸。根据覆岩水体的富水性特征和空间分布,分析了不同水体对3煤大采高综采的水害影响程度,得出基岩风化带含水层、顶板基岩含水层和烧变岩含水层对3煤开采构成直接充水影响;黄土孔隙裂隙含水层对3煤开采构成溃砂影响;萨拉乌苏组含水层、地表十八墩河对3煤开采不构成直接充水影响。为确保安全,在3煤开采前须对基岩风化带含水层局部富水性较好的区域提前疏放,对烧变岩含水层留设20m的侧向防隔水煤岩柱。     

浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究

综合考虑含水层赋存、开采地质力学条件及煤岩体结构特征,自主研发了突水溃砂气液联动相似模拟实验装置,该设备包括含水层煤系地层模拟装置、气液联动调控装置和水压水量监测装置,设计最大注水压力80 k Pa,监测水压力精度1.0 k Pa,水位精度1.0 mm。通过神东矿区浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验,研究了采动煤岩体裂隙发育及突水溃砂导水通道分布特征,结果表明:沿工作面推进方向,突水溃砂通道发育过程划分为裂隙渐次发育阶段、裂隙贯通阶段和突水溃砂通道形成3个阶段;覆岩破断及突水溃砂区域划分为覆岩裂隙渐次发育区、水砂侵入区和水砂侵入阻断区3个区域。     

浅埋深倾斜煤层综采顶板水害评价与防治技术研究

分析了贵州某矿9煤覆岩类型,应用经验公式预计了1091工作面浅埋深倾斜煤层综采条件下的覆岩破坏高度,评价了工作面的顶板水害,得出永宁镇组强富水含水层是工作面开采的主要水害威胁。基于覆岩破坏顶点与覆岩含水层间完整岩层厚度情况,对顶板水害威胁进行了分区,针对不同分区提出了"顶水开采、严防抽冒、局部限厚"水害分区防治技术,实现了1091工作面的安全回采。     

厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用

为研究厚松散含水层薄基岩下厚煤层综放开采的安全性,从黏土采动隔水性和近第四系底部导水裂缝带发育特征两个方面进行了讨论。以潞安矿区三元煤矿为例,通过对开采区域第四系松散层的不同深度进行取样和实验室试验分析,得到了特定地质条件下黏土的物理力学特性和水理特性。通过选取合理的黏土隔水层采动失稳判据,评价分析了第四系底部厚黏土隔水层综放高强度开采后隔水性能的变化状态。采用数值模拟和现场实测方法研究了厚松散层薄基岩条件下近第四系底部覆岩破坏和采动裂缝发育规律。研究表明:①三采区第四系松散层黏土随着埋深增大,其力学性能呈增大趋势,埋深超过130 m时,黏土的液性指数甚至降至0以下,深埋黏土具有良好的原生隔水性能;②黏土采动隔水性评价结果表明,区内第四系底部黏土采动后仍然具有良好的隔水能力,能很好地抑制导水裂缝带上行扩展;③近第四系底部开采导水裂缝带高度仅发育至第四系底部黏土。实例分析表明:三元煤矿3301工作面在顶板基岩厚度仅为36～55 m、煤层厚度7 m的情况下,实现了地表水体和第四系松散含水层水体下的综放安全开采,为类似水体下采煤实践提供了有益参考。     

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。     

煤层开采对第四系松散含水层影响的研究

为了分析煤层开采对第四系松散含水层的影响,选择潞安矿区漳村矿为试验现场,通过浅部至深部煤层开采项板导水裂隙发育高度的理论分析、数值模拟和实际观测资料对比,研究采高6m,采动导水裂隙发育规律及对松散含水层的影响.结果表明:煤层埋深小于110 m区段,导水裂隙可突破第四系底部黏土隔水层而发育至第四系松散含水层,并对该含水层造成破坏;煤层埋深介于110～190 m区段,导水裂隙仅发育至基岩风氧化带,风化裂隙水可进入采场,对第四系底部松散含水层水影响较小;煤层埋深大于190 m区段,采动导水裂隙发育限制在完整基岩内,仅将顶板砂岩裂隙水引入采场.据此分析,漳村矿对采高6m、埋深大于190 m的中深部煤层的开采对第四系松散含水层几乎无影响.     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

基于隔水土层失稳模型的顶板突水致灾预测研究

为了分析隔水土层在应力场与渗流场共同作用下的失稳规律,采用有效应力原理及椭圆弧拟合下沉曲线对隔水土层稳定性进行了理论分析,求得判别公式;基于平面固液耦合试验平台,采用高精度水量监测和红外成像监测技术,进行浅埋煤层顶板突水致灾演化试验,对理论判别结果进行验证,同时揭示了开采扰动及渗流作用下隔水土层的两种破坏失稳规律。研究表明:在薄基岩情况下,隔水土层失稳与开采参数存在密切联系,导致顶板突水事故发生在两个开采时期,即工作面开切眼时期和工作面经过数次周期来压时期。前者土采比(Tc)较小,隔水土层发生"铆钉式剪切破坏";后者土采比(Tc)较大,隔水土层发生"椭圆弧拉伸破坏"。两种破坏形式的揭示可为进一步研究浅埋煤层顶板突水预测提供参考。     

水压作用下防砂安全煤岩柱失稳机理及留设方法

针对厚松散含水层、薄基岩等特殊地质条件下楔形区工作面防砂安全煤岩柱失稳溃砂的问题,以赵固一矿11071工作面突水溃砂灾害为例,结合地质钻孔资料,建立了楔形保水压采动溃砂地质模型。通过黏土液塑限试验,风化带岩石干燥饱和吸水率和崩解试验,得出了底黏及风化带泥类岩具有良好的隔水性能,可形成楔形保水压结构。并在此基础上,通过水压作用下风化带泥类岩采动裂隙扩展试验研究了受采动损伤的煤岩柱保护层在水压作用下失稳的内在致灾机理。结果表明：在高水压的作用下,风化带泥类岩采动裂隙扩展为管道,防砂煤岩柱保护层的阻砂性能失效;考虑煤岩柱保护层的损伤厚度,提出了水压作用下防砂安全煤岩柱的留设方法,并在11191工作面进行了工程应用,取得了预期效果。研究成果补充完善了我国防砂安全煤岩柱的留设方法,可减少煤矿溃砂事故。     

大柳塔煤矿薄基岩浅埋煤层工作面矿压规律研究

为了研究薄基岩浅埋煤层矿压规律,防止薄基岩浅埋煤层工作面发生切顶事故,造成溃砂溃水事故,通过对大柳塔煤矿22614工作面现场矿压观测,得出了薄基岩浅埋煤层工作面矿压显现规律,结果表明：工作面上覆基岩厚度大于10 m的区域,工作面顶板来压比较明显,支架动载系数相对比较大,工作面上覆基岩厚度小于10 m的区域,工作面顶板来压不明显,实测工作面支架工作阻力大部分为5 400～7 200 kN,现有支架能满足生产需求。     

煤层顶板突水过程模拟分析

为预防煤层开采面临的顶板突水灾害,提高煤层顶板离层水害防治效果。以范各庄煤矿9号煤层突水实例,利用RFPA^2D数值模拟软件,模拟了煤层顶板受采动和围岩应力影响后突水的全过程,分析了范各庄煤矿回采9号煤层时的顶板突水原因。结果表明,范各庄煤矿9号煤层突水是矿山围岩应力、采动影响和含水层水力梯度共同作用的结果,煤层顶板受应力场和渗流场的影响,隔水层中的裂纹逐渐产生、扩展、贯通,直到顶板失稳,并形成导水通道,导致突水灾害发生。     

鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害特征及其防治技术

为了查明鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害的形成机理,并提出有针对性的防治措施,在系统分析区域含水层厚度、赋存特征、分布规律、水文地质参数等矿井水文地质条件的基础上,结合鄂尔多斯盆地北部诸多矿井顶板水害发生的特征,得出鄂尔多斯盆地西缘、东缘和北缘具有不同的顶板水害形成条件和特点,最具典型的水害类型分别为离层水害、薄基岩突水溃沙灾害和巨厚砂砾岩含水层顶板水害。研究了含水层沉积特征和水文地质结构,结合不同类型水害的形成要素和水害发生特征,初步查明了典型顶板水害的形成机理,“束状钻孔,靶向探放”是防治离层水害的有效方法,井上下疏放水和注浆改造是防治薄基岩突水溃沙的有效途径,顶板水超前疏放和加强排水系统是巨厚砂砾岩含水层顶板水害防治的主要方法。大量的工程实践资料验证了对水害条件认识的正确性和水害防治方法的有效性。     

煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用

随着煤矿开采深度和强度的不断提高,矿井面临底板突水、顶板突水和构造突水等多方面的挑战,针对不同类型突水机理及灾变模式利用现场监测等手段难以进行研究,因此采用实验室物理模拟试验手段成为解决研究此类复杂问题的关键。针对该问题,山东科技大学自主研发了采动煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统等一系列试验设备,建立了突水行为研究实验室,利用物理试验实现了对矿井突水问题的探讨。系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;实现了对水岩耦合作用下采动顶板突水溃砂灾变特征分析,透过试验机清晰地展现了煤层开挖后上覆岩层空间形成的结构形态和水砂突涌通道的分布形态;为模拟提供了深部高应力、高水压的加载环境以及独立伺服控制的三维应力,实现了全数字化的数据采集过程,获得了岩体裂隙扩展演化规律和破裂过程的声发射行为。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

西部矿区突水溃沙类型及机理研究

突水溃沙灾害是西部浅埋煤层开采常见问题之一,对矿井安全生产和当地脆弱的生态环境都有着极其不利的影响。在分析西部矿区突水溃沙主要类型的基础上,通过自主研制多孔介质水沙两相渗流试验系统,从多孔介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3个方面对突水溃沙的机理进行了研究。结果表明:西部矿区突水溃沙主要类型可以分为切落裂缝型、冒落型、钻孔诱发型3类;孔隙度对发生突水溃沙灾害的影响与破碎岩石粒径有着密切关系,随着破碎岩石粒径增大,孔隙度改变对压力梯度和沙粒流失量的影响程度将降低。沙粒流失量随孔隙度的降低而减少,低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低;同一孔隙度和沙粒粒径条件下,含水层砾石颗粒越小,发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大,沙粒流失量也越小,越不容易发生突水溃沙灾害;同一孔隙度条件下,0.074~0.25 mm的细砂较之0.25~0.83 mm的中砂或者粗沙更易发生突水溃沙灾害,其所需的启动压力也较小,随着破碎岩石粒径增大,其沙粒流失量呈非线性显著增加。     

Using a Fluid–Solid Coupled Numerical Simulation to Determine a Suitable Size for Barrier Pillars When Mining Shallow Coal Seams Beneath an Unconsolidated,Confined Aquifer

Barrier pillars are an effective and fundamental measure to prevent water inrush when mining shallow coal seams under an unconsolidated, confined aquifer. Based on the complex geological and hydrogeological conditions in the southern area of the Qidong coal mine, the no. 6₁ coal seam there was selected for a research demonstration. A fluid–solid coupled numerical simulation was carried out using the universal distinct element code. The hydraulic pressures and seepage rates in overlying strata were analyzed for two mining cases, near the aquifer and near the fault. The results showed that the degree of interconnection between the bed-separated and vertical fractures, and increases in hydraulic pressures and seepage rates in overlying strata were key factors in predicting potential water inrush when mining shallow coal seams under an unconsolidated, confined aquifer. Combining the numerical simulation results with China’s coal mining requirements, the no. 6₁ coal seam can be mined up to 90 m beneath the unconsolidated, confined aquifer, which limits mining to an altitude of ?509.36 m. The width of the barrier pillar should be 30.7 m near the fault.