基于关键层控制的部分充填采煤技术

建筑物(村庄)下压煤开采一直是困扰我国煤矿的重大技术难题。针对充填采煤技术面临的难点与挑战,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发了基于关键层控制的部分充填采煤技术。研究揭示了覆岩关键层对地表沉陷控制机理;建立了基于关键层控制的地表沉陷控制模型及部分充填采煤的设计方法;研发了采空区条带(墩柱)充填、冒落区嗣后充填和覆岩隔离注浆充填等部分充填采煤技术,已在淮北、淄博、阳泉、皖北等矿区10余对矿井的40余个工作面成功应用。部分充填采煤技术充分利用了覆岩结构的自承载能力,减少了充填工作量、降低了充填成本,是高效低成本的建筑物压煤充填开采技术。     

基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上，提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法.工程实测和理论研究结果表明：覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度，只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时，该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙，且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙.关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按（7～10）M（M为煤层采厚）估算.当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时，导水裂隙将发育至基岩顶部，导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度；当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以外时，导水裂隙将发育至临界高度（7～10）M上方最近的关键层底部，导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度.上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计，同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别，其可靠性得到了工程实测结果的验证。     

松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究

 结合祁东煤矿松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题,开展松散承压含水层水位变化与顶板来压联动效应的实测与实验研究。结果表明：松散承压含水层水位下降超前于工作面压架突水,且水位下降速度基本保持不变。水位下降幅度和下降速度与工作面来压强烈程度密切相关,水位下降幅度和下降速度越大,工作面来压越强烈,压架突水危险性越大。覆岩关键层的不同破断运动形态是导致水位变化与顶板来压存在上述联动效应的主要原因。当关键层逐层破断时,覆岩缓慢回转下沉,水位降幅和降速较小,不会发生压架突水灾害;而当关键层复合破断时,关键层结构易产生滑落失稳,短时间内大量采空体积传至基岩顶界面,水位出现大幅度快速下降,存在压架突水危险性。利用松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应,提出将水位下降速度作为预警指标对压架突水灾害进行预警的方法,并基于地下水动力学原理导出工作面压架突水时的水位降速临界预警值计算公式,指导祁东煤矿6130工作面压架突水灾害防治实践。     

条带开采垮落区注浆充填技术的理论研究

阐述了条带开采垮落区注浆充填技术的总体思路和基本原理，结合工业试验方案，应用PFC颗粒流程序进行了数值模拟试验，模拟了条带煤层采出、顶板垮落、注浆充填、充填体压实及上覆岩层下沉的整个动态发展过程；通过数值试验，揭示了条带垮落区充填体、煤柱与围岩三者之间相互作用的减沉力学机理，重点分析了垮落区充填体的承载作用、传载作用和对煤柱的侧限作用.研究结果表明，在此工业试验区域内，与条带开采相比，当充填量为19.5万m³时，条带开采垮落区注浆充填既可减小地面变形,提高煤柱稳定性，又可多采出煤炭24万m³.     

浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响

以活鸡兔井为工程背景,通过实测和理论分析就浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响规律进行了深入研究.结果表明:在高速推进情况下(推进速度一般大于10m/d),工作面周期来压持续长度显著增加,而周期来压步距、支架载荷和动载系数的变化相对较小.推进速度差异引起周期来压特征发生变化的实质是围岩变形破坏特征时间效应的体现.工作面高速推进时,直接顶由于推进速度较快垮落不充分,老顶在破断回转过程中需要更大的回转量才能触矸稳定,这是导致来压持续长度明显增加的重要原因.将推进速度对周期来压特征的影响规律运用到了神东矿区双回撤通道综采面末采段的让压开采实践中,指导了活鸡兔井21306综采面的安全回撤.     

松散承压含水层特征对其载荷传递特性的影响研究

以松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题为工程背景,基于含水层载荷传递机理设计了专门的模拟实验装置,就松散承压含水层赋存特征对其载荷传递特性及关键层复合破断的影响进行了研究。结果表明:松散承压含水层骨架颗粒粒径越大,组分越单一,含水层的流动补给性能越好,作用在基岩顶部的载荷较大,覆岩越易发生复合破断,易导致压架突水事故;骨架颗粒粒径越小,粒度组分复杂,含水层流动补给性能越差,作用在基岩顶界面的载荷易随采动降低,含水层载荷传递系数小,覆岩关键层自下而上逐层破断,不易导致压架突水事故。研究形成了含水层载荷传递系数的确定方法,在祁东煤矿的开采条件下,洪冲积扇区域含水层的载荷传递系数应为0.83~0.94,漫滩沉积区域可取0.69~0.71。     

近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究

针对中国神华能源股份有限责任公司神东煤炭分公司大柳塔活鸡兔井21305工作面过上部倾向煤柱时的动载矿压问题,通过煤柱上方关键块体结构的稳定性分析以及模拟实验,对工作面出煤柱阶段动载矿压发生的机理和规律进行了研究。结果表明:出煤柱阶段煤柱上方两关键块体形成的三铰式结构是不稳定的,两关键块体会随下部岩层的下移而发生相对旋转运动,最终导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷过大而失稳,这是造成此阶段工作面动载矿压发生的根本原因;两关键块体的回转角通常情况下无法达到维持其结构稳定的极限条件,这决定了出煤柱阶段工作面动载矿压的普遍存在;当煤柱边界上方关键块体结构断裂线外错于煤柱边界时,下部岩层对其支撑力的力矩最小,因而下煤关键层承受的载荷也就最大,故而最易导致下煤层工作面动载矿压的发生。     

受小倾角断层影响的地表移动特征研究

为了研究受小倾角断层影响条件下铁路保护煤柱的留设方案,利用UDEC软件模拟了采煤工作面处于出露地表的小倾角断层下方不同位置时对地表移动特征的影响。结果表明:断层露头处地表会发生不连续变形,且当断层露头处于按正常地质条件下移动角划定的开采范围外时,工作面与断层露头的水平距离越近,该变形越明显,断层越易活化;工作面与断层露头的水平距离大于某一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏的临界变形值。在榆树坡煤矿1504工作面,该临界值可取446.6m,据此提出了铁路保护煤柱的留设方案。     

我国水体下保水采煤技术研究进展

针对我国水体下保水采煤的理论与实践,就采动覆岩导水裂隙演化规律,以及在此基础上形成的保水采煤技术研究进展进行了综述和展望。结果表明:导水裂隙作为地层含水层破坏与地下水漏失的主要根源,其动态发育与发展直接受控于覆岩关键层的破断运动;因而,可按具体开采条件下覆岩关键层的赋存情况进行导水裂隙带高度的确定,从而科学指导水体下保水采煤对策的制定。依据水体下保水采煤所包括的4个层次的内涵,分别从顶板突水灾害防治、含水层原位保护、采动破坏含水层的再恢复、采动漏失水资源的转移储存与利用等4个方面,进行了相关保水采煤技术研究进展的论述,在此基础上提出了今后的研究方向。     

活鸡兔井沟谷地形下初次来压规律分析

通过活鸡兔井21306工作面初次来压实测资料与地表地貌特征的对比分析,得出浅埋煤层沟谷地形下的初次来压规律.中下部初次来压步距34.5 m,来压强度与持续长度均较大;中上部来压有所延迟,约41.5 m,来压相对缓和.上煤层遗留的走向煤柱与沟谷的分布特征是造成工作面内呈现分段初次来压的主要原因.