东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究

东胜煤田是我国西北部能源供给的重要基地,煤炭资源丰富但赋煤条件多变,导致不同矿区采动导水裂隙的发育存在显著差异;研究揭示东胜煤田采动导水裂隙发育的分区特征对于科学指导区域煤炭绿色高效开发具有重要意义。基于东胜煤田17对主力矿井30个工作面的导水裂隙发育特征统计与实测,获得了赋煤条件变化对导水裂隙带高度(简称“导高”)的影响规律;通过对东胜煤田赋煤条件的典型分区,提出了不同分区覆岩“导高”的预计方法。结果表明,相比深部开采,浅部煤层采动引起的覆岩“导高”波动程度更为显著,尤其在埋深200～300 m,裂采比上下波动范围可达2.55倍。覆岩导水裂隙的发育受控于关键层的破断运动,顶板7～10倍采高范围之外最近一层关键层底界即为导水裂隙发育的顶界;据此合理解释了浅/深埋煤层“导高”波动性差异的原因。浅埋煤层覆岩关键层数量相对偏少,极易出现主关键层进入7～10倍采高范围的情况,造成导水裂隙直接发育至基岩顶界,引起“导高”值的异常大幅度波动。而对于深部煤层,覆岩7～10倍采高范围之外关键层数量相对偏多、间距偏小,当因地质条件改变而引起关键层位置变化时,“导高”的波动范围仅限于7～10倍采高范围附近...     

保德煤矿8#煤层覆岩导水裂隙带高度发育特征研究

煤炭绿色开采是未来煤矿开采的主流方向，在煤炭开采的同时对水资源及地表生态进行保护是研究的主要方向之一。本文结合保德煤矿8^#煤层的赋存特征及开采条件，针对该矿区井下开采引起的开采沉陷对地表建(构)筑物的严重影响，采用理论分析和现场实测的方法对该工作面采空区导水裂隙带高度进行研究，分析对比了考虑覆岩关键层位置和传统导高计算经验公式的理论导高计算结果，并采用导高物探结果进行了验证。研究结果表明：保德煤矿8^#煤层上覆3层关键层，其中主关键层位于距煤层103 m处，采用考虑关键层位置的导水裂隙带计算方法时，得到的理论导高为103 m,而采用传统经验公式得到的导水裂隙带理论高度分别为41.2～61.8 m和57.8～87.7 m;通过分析钻孔水位变化、冲洗液漏失量变化以及钻孔窥视结果，得到的导水裂隙带发育高度为106 m。由此可知，关键层判别法较经验计算法适用性更强，为保德煤矿覆岩下沉及导高预计提供可靠的理论支撑。     

水体下特厚煤层综放开采导水裂隙带高度发育特征研究

以陈家沟煤矿3203工作面北汭河下综放开采为研究对象,采用变形分析法和数值模拟相结合的方法对工作面开采导水裂隙带高度进行研究.研究结果表明:3203工作面采用综放开采导水裂隙带最大高度出现在开切眼侧,最大高度124m,裂采比为11.7;导水裂隙带最终发育形态为一偏态的"马鞍形".工作面覆岩结构对导水裂隙带发育规律具有显著影响,导水裂隙带发育高度随着覆岩关键层的周期性破断而呈台阶状增长;当导水裂隙带高度发育到一定层位后,覆岩中一定厚度的软岩是抑制导水裂隙带继续向上发育的关键岩层(抑制层).根据覆岩结构特征,分区域判定导水裂隙带高度,更符合工程实际.依据导水裂隙带高度预计结果对3203工作面原开采方案进行修正,提出开切眼和停采线100m范围顶煤全部放出方案,提高了资源回收率.     

水体下开采覆岩破断及裂隙演化规律

鉴于水体下开采采动裂隙发育规律对井下安全性评价的重要作用,以水库下综放开采为工程背景,采用关键层理论、组合岩梁理论,并采用相似模拟物理试验手段,研究了覆岩的破断规律,以及在覆岩组合岩层及关键层破断过程中,岩层垂直位移、导水断裂带发育高度以及覆岩裂隙网络的演化规律。研究结果表明:主关键层垮落前后,观测线采空区中部测点的下沉曲线斜率较大,岩层垂直方向上下沉剧烈;导水断裂带发育高度曲线随着覆岩岩层组合周期性垮落呈现出台阶跃升,且两台阶的间距即为覆岩的周期垮落步距;当主关键层垮落后,覆岩导水断裂带发育高度稳定,导水断裂带顶界位于亚关键层Ⅱ下部。裂隙网络的富集区主要集中在前后煤壁,且靠近开切眼侧裂隙区裂隙密度大于停采线侧裂隙密度,由于采空区中部破断岩层在上覆载荷的作用下裂隙压实闭合,造成模型裂隙密度曲线呈偏态"马鞍"状。     

坚硬顶板综放面覆岩垮落及导水裂隙研究

以北辛窑煤矿2#煤首采面开采为背景,采用物理相似模拟的方法,运用全站仪与钻孔电视研究了坚硬顶板综放面覆岩垮落特征及导水裂隙带发育高度。结果表明:8103首采面来压步距大,煤层回采后覆岩表面导水裂隙带高度为115～135 m;关键层发生破断时覆岩表面位移变化明显,煤层回采后距开切眼240 m处地表沉降达到5 m以上;通过对煤层回采后1#钻孔内部裂隙分析,认为中下部和下部垮落覆岩是储水和导水的主要空间,对1#和2#钻孔不同回采距离下内部裂隙发育高度分析可得,导水裂隙带高度最终稳定在125.2～128.2 m,这对工作面两带高度确定和防治水措施的制定,具有重要的指导意义。     

和善煤矿“两带”高度数值模拟及实测研究北大核心

为探究上位煤层采动影响对下位煤层垮落带及导水裂隙带发育规律的影响,在理论分析的基础上,运用UDEC数值模拟软件,模拟了不同层间距上位煤层底板断裂带深度与下位煤层覆岩“两带”高度变化规律,并以实际工作面为背景,采用双端堵水器对覆岩“两带”高度进行实测。结果表明:9+10号煤垮落带高度为10.6 m,导水裂隙带高度为45.79 m,上位煤层开采对下位煤层导水裂隙带的发育高度存在一定影响,且基本呈负相关趋势,上下两煤层导水裂隙带存在贯通的可能性。     

张家峁煤矿N15203工作面浅埋煤层导水裂隙带发育特征

张家峁煤矿地处我国西北干旱地区,生态环境脆弱,煤层埋藏浅,煤矿开采过程中导水裂隙带导通上覆含水层,造成地下水位下降,加剧生态环境恶化,同时地下水涌入矿井,威胁矿井安全开采。为详细分析张家峁煤矿浅埋煤层导水裂隙带发育情况,以矿区北翼N15203工作面地质条件为背景,利用理论计算、数值模拟方法对导水裂隙带的发育高度进行了研究,并通过现场钻孔电视成像实测结果验证了理论计算与数值模拟结果的可靠性。研究表明:①数值模拟可展现覆岩破坏的动态变化规律,当工作面推进至60 m和110 m时,覆岩破坏速率明显加快,与关键层理论判断结果一致;②由于黄土层塑性变化较大,对导水裂隙带发育具有一定的抑制作用,导水裂隙带发育至基岩顶界附近,高度约108 m,裂采比约19.64;③通过与现场钻孔电视成像结果对比,数值模拟和关键层理论计算结果与实测数据基本保持一致,能够较准确地预测导水裂隙带高度发育情况。分析结果对于陕北浅埋煤层开采覆岩导水裂隙带后续研究具有一定的参考价值。     

综放厚煤层覆岩导水裂隙带高度

为了避免在厚煤层综放开采条件下覆岩含水层中的水溃入矿井,针对1303工作面的地质条件,采用理论计算的方法,判断出主关键层的位置及在特殊条件下导水裂隙带是否贯通主关键层;结合数值模拟分析,最终确定导水裂隙带的高度,并提出了相应的解决办法。     

多次采动条件下浅埋覆岩裂隙带发育规律

以浅埋煤层的高家梁煤矿为背景,采用FLAC3D数值模拟方法研究近距离煤层层间距、下层煤的采高以及间隔层岩层强度对覆岩导水裂隙带发育高度的影响。结果表明:当层间距大于10 m时,覆岩裂隙带发育最大高度主要受上层煤开采影响;当层间距小于10 m时,覆岩导水裂隙带高度开始受下层煤开采影响明显增大;当下层煤采高在5 m以内时,导水裂隙带发育高度较小,采高超过5 m时,导水裂隙带高度迅速增大;导水裂隙带高度随间隔层岩层强度的增加而增大。灰色关联分析表明,影响导水裂隙带发育高度因素按重要程度依次为采高、间隔层强度、层间距。     

急斜煤层覆岩关键层对防水煤柱尺寸的影响

为了对水体下急斜煤层的安全回采提供依据,基于龙湖煤矿南二采区急斜煤层的水文工程地质和煤岩层赋存条件,采用离散元UDEC2D数值计算,分析了覆岩关键层对急斜煤层开采导水裂隙分布和防水煤柱稳定性的影响,结果表明:当上覆岩层无关键层时,急斜煤层开采导水裂隙呈“耳型”分布,而当上覆岩层存在关键层时,导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主,且随着煤层采厚的增加呈抛物线型增大趋势,硕板初次破断后导水裂隙向关键层及其上方岩层发育；急斜煤层覆岩关键层的存在,将明显增大防水煤柱的抽冒范围,水体更易沿防水煤柱塑性破坏区渗流进入工作面采空区.据此,现场设计了分带仰斜充填开采方法,并采取了加固防水煤柱的措施,有效确保了水体下急斜煤层的安全回采.     

"两软一硬"不稳定煤层工作面覆岩"两带"发育高度研究

为探索禹州煤田西南部云盖山煤矿二矿软煤、软底和硬顶(简称“两软一硬”)及开采煤层厚度变化较大的不稳定煤层顶板垮落带和导水断裂带发育高度,采用现场钻孔成像技术、经验公式类比分析和数值模拟综合研究方法,对该矿23301采煤工作面顶板覆岩垮落带、导水断裂带高度进行了分析,获得了工作面在非充分采动垮落和充分采动垮落条件下“两带”高度量化取值,垮落带最大高度为14.4 m,导水断裂带最大高度为50.0 m,认为现场钻孔成像技术可用于采动覆岩“两带”发育高度的计算。研究结果对研究区预采掘顶板水害防治及顶板支护具有较重要的参考价值。     

补连塔煤矿四盘区顶板突水机理及防治

采用理论分析与工程测试相结合的方法，对神东矿区补连塔煤矿四盘区31401工作面异常突水机理进行了深入研究.结果表明：31401工作面突水的水源来自基岩（厚120～190 m）上部的砂砾含水层.按传统估算方法确定的顶板导水断裂带最大高度为55 m，达不到砂砾含水层，不应发生周期性的顶板突水.但2个钻孔实测的顶板导水断裂带高度达140.5～154.0 m，达到砂砾含水层，从而引发了工作面顶板突水.覆岩主关键层位置距离开采煤层较近,是导致顶板导水裂隙高度偏高和顶板异常突水的根本原因.根据四盘区所有钻孔柱状覆岩主关键层位置的判别结果，对四盘区后续工作面顶板突水危险区域作出了预测，31401工作面区域的预测结果已得到了生产实践的验证.     

厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面覆岩破坏电法监测

掌握导水裂缝带发育高度对于厚松散层薄基岩煤矿工作面安全开采具有重要的意义。在煤层采动影响前,在工作面巷道向煤层工作面顶板施工1个仰孔,布置孔中电极电缆,形成钻孔电法监测系统。在巷道中连接并行电法仪器和钻孔电缆,数据采集方式称为AM法。随采煤工作面位置逐渐接近并进入钻孔控制范围,监测电极电流值和视电阻率值发生变化。结果表明:对潘北煤矿厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面电法监测显示,弯曲下沉带电极电流值和视电阻率值较为稳定,受采动影响程度较小;导水裂缝带内,电极电流值明显下降,视电阻率值明显升高;顶板高度0~40 m采动超前影响范围可达410 m左右;工作面坚硬顶板砂岩地层为控制覆岩破坏的关键层,采空区上方坚硬顶板岩层垮落滞后工作面9~16 m;工作面导水裂缝带高度为37 m,导水裂缝带未发育到基岩面,风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带” 范围的影响

采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,就覆岩关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩导气裂隙带内是否存在关键层将对覆岩瓦斯卸压抽采范围起到十分明显的影响作用。在相同开采条件下,覆岩裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断将引起导气裂隙带高度突增,其高度明显高于经验公式计算高度并止于该关键层上方另一层关键层之下;卸压解吸带高度止于覆岩中尚未发生破断且下方存在离层空间的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。     

准东大井矿区保水采煤开发利用研究

本文以准东大井矿区为研究对象,基于资料分析得到矿井主采煤层B_1均处于Ⅳ含水段,通过常规经验计算方法估算了大井矿区巨厚煤层大采高分层开采和放顶煤分层开采导水裂隙带发育高度,分别为126.8～190.5m、232.9～334.5m和79.1～98.0m、158.2～196.0m,导水裂隙带均可发育至覆岩含、隔水层,从保水采煤角度出发,应减少分层采高,优先采用大采高分层开采方式。矿井涌水量达2 050m~3/d,且属高矿化度矿井水,结合矿区用水现状及企业类型,初步提出可采用蒸馏、电渗析、反渗透和蒸发结晶等水处理工艺,出水可分别作为矿区生产、生活及生态用水。     

浅埋近距离双厚煤层开采覆岩裂隙发育规律

针对中国神东矿区浅埋近距离双厚煤层开采的工程实际,建立三维物理相似模型、PFC2D数值模型和理论模型,对双厚煤层开采后的覆岩裂隙发育规律进行研究。综合研究表明:上煤层开采后,裂隙带发育高度约为55.5～60.3 m,而下煤层推进约60 m,层间关键层初次断裂,引起上、下采空区连通,并在主关键层断裂以后形成的裂隙直达地表,高度约为146.5～153 m;采动空隙场呈"双拱"形态,并结合关键层理论,将覆岩划分为不规则空隙带和周期性空隙带,以及拱间优势空隙带和拱下微空隙带;提出了近距离双煤层开采综合采厚的计算方法,结合修正的综放开采裂隙带发育高度预计公式,可进行近距离双厚煤层裂隙带发育高度计算。研究成果揭示了浅埋双厚煤层开采后地表-上采区-下采区的漏风机制,并根据采动空隙场分布特点提出了堵风治燃的工程对策,可为类似矿井的防灭火提供借鉴。     

基于微震监测的顶板导水裂隙带发育高度研究

煤层顶板导水裂隙带发育高度作为矿井的基础参数，对矿井灾害防治具有重要意义，以古汉山矿1604放顶煤工作面为研究背景，分别采用微震监测和数值模拟等手段对顶板导水裂隙带的发育高度进行研究，通过对微震系统台网布置方式进行误差分析，围绕工作面构建了三巷空间布置的微震台网，对监测结果分析表明：工作面直接顶、老顶的破坏程度远大于其上覆岩层，顶板的连续破坏区域整体呈“钝三角形”，导水裂隙带的发育高度约为75m。通过数值模拟计算得出1604工作面顶板导水裂隙带发育高度约为71m，与基于微震监测分析的结果基本吻合，为类似工作面的导水裂隙带探测提供借鉴和参考。     

房柱式残采区蹬空开采可行性研究

以大同精通兴旺整合重组煤矿为研究背景，首先采用理论计算初步判定了9#煤层蹬空开采的可行性和12#煤层残采区煤柱稳定性，然后借助钻孔注水和钻孔窥视等技术从现场实测的角度揭示了9#煤层蹬空开采的岩层结构特征。研究结果表明：房柱式残采区上覆岩层冒落带高度距离不超过10m，裂隙带高度约为25m，9#煤层位于12#煤层房柱式开采形成的弯曲下沉带，岩层仅出现内部损伤，未出现大范围台阶下沉，整体性和完整性较好，可以进行蹬空开采。