覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。     

离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

厚松散层下三软煤层开采覆岩导水裂隙发育规律

为掌握厚松散层下三软煤层开采覆岩运移及导水裂隙发育规律,以澄合矿区为背景,采用物理相似材料模拟实验,综合运用全站仪监测、高清钻孔电视监测、3DEC离散元数值模拟软件以及SPSS专业统计分析软件相结合的研究方法,同时引入开采损害理论,研究该条件下覆岩运移规律、裂隙发育演化及导水裂隙带分布特征。结果表明:覆岩运移呈现非对称性,最大下沉值处于采空区中央偏开切眼侧,松散层运移范围大于基岩顶部岩层,整体呈现出"类双曲线"状。理论公式推导得出基岩破断角较小,为56°～58°。垮落带高度13.75 m,垮采比3.06,导水裂隙带高度75m,裂采比16.67;裂隙发育数量自地表而下逐渐增多且在导水裂隙带区域突然增多,裂隙发育主要受到北偏东33°方向上采动应力场控制,导水裂隙带发育演化呈现出"缓慢发育→逐级渐进升高→大幅突然升高→周期小幅升高→稳定发育"五个阶段;通过3DEC数值模拟得出,导水裂隙带高度与松散层厚度成指数函数关系,与采高成线性关系,与埋深和工作面斜长成对数函数关系。运用SPSS专业统计分析软件,基于多元非线性回归理论拟合出导水裂隙带高度预测经验公式。通过对比计算结果,验证了回归经验方程在预测导水裂隙带高度时的合理性;由于K_5砂岩含水层单位涌水量较大且距煤层较近,对工作面开采过程中覆岩裂隙导水影响较大,为避免煤层的开采受到覆岩K_5砂岩含水层的影响,根据所得预测经验公式,煤层的最大采高应不超过3.8 m。该研究对相似地质条件下煤矿保水开采等具有重要的参考价值。     

煤层开采导水裂隙带发育高度分析

针对煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度问题,提出了一种基于工作面倾向长度、岩性以及岩层破裂边界角等因素的导水裂隙带发育高度计算公式。首先利用FLAC3D模拟软件证明工作面倾向长度对导水裂隙带发育高度具有重要影响,然后基于煤层开采后地下空间岩石碎胀填充达到应力平衡的基本原理,通过求解微分方程推导出煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度计算公式。将该公式计算结果与现场实测结果进行对比分析,结果表明,两者吻合较好,且本文计算公式较现有经验公式计算结果更为准确。该公式可为覆岩导水裂隙带发育高度的计算提供思路和方法。     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

深厚煤层开采底板变形特征的光纤监测研究

煤层工作面采动会引起采场底板应力场重新分布,发生煤岩体的变形与破坏,准确掌握其时空发育特征对底板突水预测具有十分重要的意义。为了探究大埋深特厚煤层开采底板岩层裂隙场的发育规律,依托准格尔煤田某矿开采工作面,采用井孔光纤应变测试技术开展室内岩石压裂测试并实施底板监测,获得了大采高底板下不同深度岩层随工作面推进的应变变化曲线及特征。结果表明:光纤监测技术可有效捕捉深部煤炭开采底板岩层破坏特征,特别反映出在垂向分布上通过应变与岩层对应关系可得到底板裂隙场发育具有一定的分层性,其分布主要受地层结构影响,并且破坏优先发生于软弱岩层和软、硬岩层交界面附近。且通过1#、2#钻孔应变特征综合分析61101工作面受采动影响底板最大裂隙发育深度为21.5 m。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

煤矿采场上覆围岩变形特征分析

以四川攀枝花茶叶树煤矿的地质条件为依托，针对茶叶树煤矿35号煤层采场上覆岩层的活动规律进行了研究，通过理论计算和现场检测，分析了煤层开采后上覆岩层移动规律、破坏特点及上覆岩层垮落范围，介绍了覆岩“三带”的大概范围，为深入认识煤矿采场覆岩变形特征提供了指导。     

煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

电阻率法动态监测技术是研究煤层开采后覆岩破坏规律的一种新方法 ,该方法通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器,动态、连续的观测工作面回采前后上覆煤岩体电阻率及供电电流,根据电阻率及供电电流的变化情况分析工作面煤层开采后顶板岩层破坏的形态,查明工作面开采后覆岩"两带"发育的动态变化规律,得到煤层采后顶板"垮落带"和"导水裂缝带"的发育高度。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测     

近距离煤层上行开采巷道合理布局研究

以翟镇煤矿六采区二、四煤层上行开采为工程背景,为解决上层煤工作面巷道的合理布局问题,采用覆岩组合结构理论、现场实测和仿真模拟的手段,对下层煤采动形成的裂隙带综合形态特征及围岩集中应力分布进行重点研究。结果表明:在组合顶板条件下,裂隙带应是以岩层组为单位呈阶梯状向上发育的,现场实测得到的裂隙带发育高度也验证了上述形成机制;裂隙带空间形态呈现出一个向采空区内侧倾斜的拱形马鞍态,裂缝角为75°~78°;裂隙带内自下向上的分区破裂现象明显,上层二煤处于裂隙带上部的一般开裂区,在该区域布置回采巷道具有较大的可行性;数值模拟结果得到二煤层的断裂位置位于采空区侧3~5 m,内应力场分布范围在采空区侧6~10 m。在对下层四煤采后形成的裂隙带发育高度、空间形态、破裂分区以及集中应力分布进行综合研究的基础上,提出上行开采巷道内错式和外错式两种布局方案,有效避开了裂隙带及集中应力影响范围,取得了较好地现场应用效果。     

厚硬顶板硬顶煤压缩性分析与综放开采方案选择

顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接项和老项岩层的活动规律密切相关。张双楼煤矿主采煤层为7煤和9煤，两层煤之间赋存唯一一层厚硬岩层，即9煤层的直接项也是7煤层的直接底。9煤较硬，其项煤的可放性和开采方案的选择是其成功应用综放开采技术的关键。采用实验室物理模拟，分析厚硬岩层的破断特征，并根据开采不同布置方式与厚硬岩层的不同断距提出9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析下层煤项煤压缩量的变化及其可放性。计算机数值模拟与现场实践表明，7煤与9煤的工作面成交错布置方式，先采7煤后采9煤，一次采全高，最有利于9煤工作面的顶煤冒放，保证9煤综放开采的成功。研究结果可为类似条件下的厚硬煤层推广综放开采工艺提供设计指导。     

覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究

 通过工程探测和理论分析,就海孜煤矿745工作面巨厚火成岩条件下顶板异常突水事故的机制进行深入研究。研究结果表明：距开采煤层62 m的巨厚火成岩下封闭的离层区积水是引发745工作面异常突水的水源;按传统估算方法计算导水裂隙高度为25.3～36.5 m,不会沟通巨厚火成岩下的离层区积水,但由于离层区积水的载荷传递作用,导致下部2层亚关键层发生复合破断,使得顶板导水裂隙高度异常发育,沟通了离层区积水,这是引发745工作面异常突水事故的原因。突水机制表明,可以通过向积水离层区施工放水钻孔的方法来防治此类突水事故。     

小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究

 新安矿有8.00×107 t煤炭资源处在小浪底水库水体之下,煤厚变化大(0.0～18.8 m),现有的导水裂隙高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求,水体下采煤存在突水隐患。为确定开采过程中覆岩破坏上限及其是否导通地表水体,研究区在5个地面钻孔中进行超声成像观测,在5个井下钻孔中进行并行网络电法CT观测,并通过物理模拟和数值模拟进一步研究各种不同开采条件下的覆岩破坏过程。观测及模拟结果表明,导水裂隙发育最大高度主要取决于煤层采厚,两者之间为非线性关系,在此基础上给出相应计算公式,为结合其他突水影响因素确定安全可采分区提供可靠依据,并得到3个位于安全可采区内的工作面工业性试采成功的验证。     

Investigations of water inrushes from aquifers under coal seams

In many coal mines, limestone-confined aquifers underlie coal seams. During coal extraction from these mines, water inrushes occur frequently with disastrous consequences. This paper introduces the hydrogeological conditions of the coal mines and the potential water inrush disasters from aquifers under coal seams. It then presents the water inrush mechanism. The main factors which control water inrushes include strata pressure, mining size, geologic structures and the water pressure in the underlying aquifer. Analysis shows that reduction of confinement due to mining is the major cause of the water-conducting failure in the floor strata. The depth of the failure zone is strongly dependent on the mining width. This paper also presents field observation results of the water-conducting failure in the floor strata, and applies the finite element method coupled with stress-dependent permeability to analyze hydraulic conductivity enhancement due to coal extraction. Finally, theoretical and empirical methods to predict water inrushes are given, and technical measures for improving mine design and safety for coal extraction over aquifers are presented. These measures include fault and fracture grouting and mining method modification such as changing long-wall to short-wall mining.     

Interactions of overburden failure zones due to multiple-seam mining using longwall caving

This paper presents an investigation on the interactions of overburden failure zones induced by the mining of adjacent coal seams using the longwall caving method. Overburden failure is an important factor in safety assessments in the fields of mining engineering geology and safety geology, especially when mining under water bodies. In this study, the influence of the thickness and properties of the interburden between seams on the development and interactions of caving and fractured water flow zones are investigated by using in situ measurements, scale model testing and numerical simulations. The height of the fractured water flow zones in the scale model tests and numerical simulations are basically in good agreement with measurements after mining of the upper and lower seams of Seam No. 3 in the Cuizhuang Coalmine. Therefore, the scale tests and numerical simulations in the study are verified. The results show that interaction and superposition between two close distance seams cannot be ignored when the ratio (h/M) of the interburden thickness (h) to the cutting height of the lower seam (M) is less than a defined critical value. A dividing line, Line D, has been proposed to judge whether the interactions exist. When the (M, h/M) points are located above Line D, the caving zone induced by excavation of the lower seam will not propagate to the caving zone induced by the upper seam. Otherwise, for the (M, h/M) points below Line D, the interactions and superposition of the overburden failure must be considered when predicting the heights of the caving and fractured water flow zones.

     

低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究

 针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题,以淮南矿区为主要试验研究基地,研究应用岩石力学、岩层移动理论和“O”形圈理论,针对不同煤层和瓦斯地质条件,探索出一整套“开采煤层顶底板卸压瓦斯抽采工程技术方法”,建立卸压开采“抽采”瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系。研究“采场岩层移动规律、卸压瓦斯运移规律、卸压瓦斯富集区、开采煤层卸压范围以及开采煤层增压范围”科学规律,研究“首采层卸压瓦斯、上向卸压层瓦斯、下向多重卸压层瓦斯以及地面钻孔卸压瓦斯”理论与技术,形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术。创新卸压开采抽采瓦斯理论和技术,解决了煤与瓦斯共采重大工程技术难题。     

干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础 与应用研究

 干旱半干旱矿区水资源保护性采煤既是一项重要的国家发展战略,也是重要的基础和应用科学研究内容之一。结合神东矿区具体地质采矿条件,从矿区水文地质结构分析、采动覆岩导水裂隙通道发育规律与隔水关键层稳定性、有隔水层区上覆含水层保水采煤方法、无隔水层区上覆含水层预疏放转移存贮等多个方面,系统地展开了对干旱半干旱矿区水资源保护性采煤的基础与应用研究工作。通过水文地质分析,将浅层含水区域分为4种水文地质结构类型,又把有隔水层区结构细分为5种隔水层结构,进而提出了5种保水采煤分区。通过现场实测、数值模拟和理论分析等,揭示了采动覆岩裂隙演化、渗流通道发育与渗流规律,并给出了隔水关键层稳定性判别条件。根据不同的地质采矿条件,提出了针对有隔水层区上覆含水层的控制隔水关键层结构稳定保水开采方法、控制采动导水裂隙闭合保水开采方法、局部支撑区域充填保水开采方法,提出了针对无隔水层区上覆含水层预疏放向采空区转移存贮水方法,并在实践中取得了良好的应用效果。     

急斜煤层放顶煤开采“跨层拱”结构分析

急斜煤层水平分段放顶煤开采与缓斜煤层不同，工作面沿煤层厚度的水平线布置，长度短。工作面上方不是顶板，而是顶煤和残留煤矸。研究结果表明，开采中能够在工作面上方形成与之平行的跨越煤层的“跨层拱”结构。建立“跨层拱”结构的力学模型，对拱的受力、极限跨长以及拱形的确定等方面进行了分析；同时，对于“跨层拱”结构的滑落失稳、结构失稳及其对工作面矿山压力显现的影响进行了分析。由建立的力学模型而得的分析结果与现场实测结果吻合较好，说明可以较大幅度地提高水平分段高度，对急斜煤层短工作面条件下，实现安全高效开采有着重要意义。