短壁块段式充填采煤矸石充填材料重金属离子“下行”迁移规律及控制技术

现阶段煤炭开采产生的废弃矸石广泛利用于矿山充填领域,然而矸石内部重金属离子对矿区水资源产生的潜在污染风险愈发突出。结合短壁块段式充填采煤技术,综合分析重金属离子析出与迁移的敏感性因素,建立矸石充填材料重金属离子“下行”迁移模型,揭示矸石充填材料重金属离子“下行”迁移规律,提出重金属离子“下行”迁移控制技术。研究表明：矸石粒径、煤层埋深、底板岩性以及重金属离子析出浓度是关键性影响因素,且重金属离子迁移距离随底板岩层的渗透率及重金属离子析出浓度的增大而增大,随矸石粒径及煤层埋深的增大而减小,确定底板岩层的渗透率及重金属离子析出浓度为核心影响因素。提出了重金属离子“下行”迁移控制技术,包括顶板注浆封堵技术、底板铺设防渗层技术、pH值调控技术以及矸石粒径控制技术。     

短壁块段式充填采煤覆岩导水 裂隙发育机理及控制研究

针对矿区开采遗留的"三下"压煤、边角煤柱、工广煤柱以及不规则块段等煤炭资源的回收问题,同时为解决矸石堆积危害和煤炭开采造成的水资源流失,提出采用短壁块段式充填采煤技术回收该资源。为了准确地计算短壁块段式充填开采造成的导水裂隙带发育高度,在分析块段式充填开采工艺特点和上覆岩层移动特征的基础上,采用弹性地基梁理论,建立了一种计算块段式充填采场覆岩导水裂隙带高度的力学分析模型。以现场实验区域为例,研究得到实验工作面导水裂隙带高度不发育至含水层的最小煤宽度柱和采空区充实率分别为5 m和65%;鉴于此,现场设计保护煤柱宽度为5 m,充实率为80%。     

短壁块段式采煤覆岩导水裂隙发育力学特性分析

短壁块段式采煤技术作为一种绿色开采技术,可以有效地兼顾煤炭安全高效开采和水资源保护,但在开采过程中会造成一定范围的导水裂隙带,对含水层的稳定性造成潜在的影响。因此,短壁块段式采煤覆岩导水裂隙发育力学特性的研究对科学预防、控制和治理煤炭开采所引起的水资源流失问题具有重要意义。为了计算短壁块段式采煤造成的覆岩导水裂隙带发育高度,在分析覆岩移动特征的基础上,确定影响短壁块段式采煤覆岩导水裂隙发育的主控因素。并基于弹性地基梁理论,结合短壁块段式采煤工作面布置特殊性,建立了一种计算短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度的弹性地基叠合梁力学模型,给出岩层产生导水裂隙的判定方法,计算获得岩层破坏层数(导水裂隙带高度)随不同主控影响因素的变化规律,揭示了短壁块段式采煤覆岩导水裂隙发育的力学机理及规律。研究结果表明:随着采高和块段长度增大,岩层破坏高度呈阶梯状上升;随煤柱宽度的增加,岩层破坏高度呈降低趋势。同时,当影响因素参数在一定范围内时,岩层破坏层数不变,因此,在保证水资源不发生流失的前提下,可选择范围内最大采高、块段长度以及最小煤柱宽度作为开采指标来提高回收率。现场短壁块段式采煤实验工作面采用钻孔冲...     

含水层下矸石充填采煤覆岩导水裂隙的演变原因及研究目标

固体充填采煤是用机械化方式,将矸石等固体废弃物填入采空区的技术,它能采出更多的煤炭资源,并能处理矿区固体废弃物,还能使填入采空区的固体废弃物对上覆岩层的移动和裂隙发育有控制作用,所以固体充填采煤能给含水层下压煤矿区提供安全有效的方法。本文主要研究导水裂隙带发育范围与充实率之间的定量关系、矸石充填采煤覆岩破坏程度、裂隙带形成中导水裂隙的进化规律。     

综合机械化矸石充填开采导水裂隙带发育高度研究

对不同试样的矸石充填材料进行压实测试,得出了应力-应变曲线及最佳配比方案,根据等价采高模型理论,计算了某试验矿井矸石充填开采时的导水裂隙带发育高度,提出了给矸石充填体施加一初始压实力可以极大地提高其抗压性能,进而有效地减小覆岩裂隙的发育高度,并采用数值模拟研究了不同压实性能的充填材料的导水裂隙带发育高度情况。研究结果表明,优化充填材料配比,增加初始压实力和提高采空区充填率都可以有效地减小导水裂隙带发育高度。     

保水采煤面临的科学问题

保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践,已初步建立了保水采煤技术体系,有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下,我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果,认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题,而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的研究滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题,包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测,大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法,有效隔水层厚度的量化与评价,大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下,矿区生态环境保护的责任和任务重大,有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破,促进绿色矿区建设。     

基于充填采煤的保水开采理论与实践应用

针对煤矿开采导致矿区水资源环境破坏的严重问题,根据矿区顶板含水层赋存特征,提出基于充填采煤的保水开采理论和技术。运用充填采煤顶板运移规律和控制机理,构建了充填采煤顶板含水层稳定性的力学模型,并得出了顶板含水层稳定性的边界条件,运用相似模拟试验分析验证了充填采煤对顶板含水层的保护机理及作用。研究结果表明:顶板稳定隔水层下沉量包括充前顶板下沉量、充后顶板下沉量和直接顶岩体特性下沉量,其破断的边界条件为hb≤Hb;随着密实充填率的增大,顶板稳定隔水层下沉量减小。通过对邢台煤矿充填工作面现场实测进行分析,发现应将充填体的密实充填率提高到68%以上,才能保证顶板含水层的完整性。     

干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移,西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上,我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例,针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征,采用相似材料模拟、数值模拟等手段,结合邻矿现场实测对比,全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09～15.67,整体形态呈"梯台型"特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现"稳定增加-波动变化-恢复稳定"变化特征,导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大,一般达到3～5倍;研究区主采煤层顶板具有"多含水结构下的高位隔水层"结构特征,具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价,探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。     

浅埋煤层关键层破断对导水裂隙演化的影响

掌握导水裂隙演化规律是实现浅埋煤层保水开采的关键,用RFPA软件进行数值模拟可以观察导水裂隙演化的过程.本文通过对补连塔煤矿31401工作面的数值模拟,总结出了关键层破断运动对导水裂隙演化的影响规律,为实现浅埋煤层保水开采鉴定了基础.     

浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模拟分析

对于富水沙层下、水体下等保水开采研究课题 ,本来应该进行固液两相相似模拟研究 ,但因此种研究手段还处于试验阶段 ,所以进行单相固态模拟还是非常必要的。根据不同工作面覆岩破坏和导水裂隙发展情况以及防水安全岩柱保护层稳定性变化 ,实验得出了从不同基岩厚度采场实现保水开采的合理推进距。导水裂隙带高度发展过程的实验对神府矿区的间歇式保水开采方案的实施和该区煤炭资源合理开发具有重要指导意义     

基于导水裂隙带高度的地下水库适应性评价

利用煤矿井下采空区进行矿井水资源储存和循环利用的地下水库技术为西部缺水矿区的绿色开采提供了新的途径,但其推广应用仍需符合一定的适用条件。综合采用现场实测与理论分析,结合神东矿区煤矿地下水库工程实践,开展了基于导水裂隙带高度的地下水库适应性评价方法研究。结果表明:地下水库储水的高效循环使用是保证该技术成功应用的关键,必须满足"水源"、"库容"和"通道"三大条件。采动覆岩导水裂隙作为地下水库水源补给的重要通道,是影响地下水库适应性的核心因素。利用"基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法",判别具体开采条件导水裂隙带发育高度,当导水裂隙沟通区域补给水源(含水层)时,地下水库具备适应性;否则,区域水源水体一般难以汇聚至井下采空区,从而地下水库中可供循环利用的水资源量将难以保证,地下水库保水方法一般不适用。研究结果得到了神东矿区地下水库工程的验证,并指导了李家壕煤矿地下水库适应性评价和地下水库建设选址。     

条带充填保水开采导水断裂带高度多因素影响分析

针对现西部矿井保水开采技术难题,以曹村煤矿12采区工作面为研究背景,在系统分析了导水断裂带发育高度受多种因素影响的基础上,通过理论分析、现场调研及数值模拟等方法,提出了条带充填开采方案。结果表明:条带充填开采,上覆岩层缓慢下沉,由原"三带"变为"两带",阻断岩层的破断起到保水作用;煤层开采厚度、顶板岩层强度及结构类型、条带开采采出率、充填参数等是影响条带充填上覆导水裂隙发育高度的主控因素,且上覆岩层下沉值与其值成线性关系。     

基于充实率控制的导水裂隙带发育高度研究

为了研究固体充填采煤充实率对导水裂隙带高度的控制作用,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率条件下导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件UDEC对不同充实率条件下导水裂隙带高度进行模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度预计的新方法,其结果与经验公式预计的结果相吻合。工业性试验表明:当煤层采高为3.5m、采空区充实率为85%时,导水裂隙带发育高度在10m左右,实测与预计结果基本一致。     

固体充填采煤充实率控制导水裂隙带高度发育研究

为了研究固体充填采煤充实率对控制导水裂隙带高度发育的影响,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件,通过对不同充实率导水裂隙带高度的模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度新的预计方法,其结果与套用经验公式预计的结果相吻合。工业性实验表明:固体充填采煤可以有效控制覆岩移动变形,顶板岩层整体保持其完整性,在煤层采高为3.5 m,采空区充实率为85%时,导水裂隙带高度在10 m左右的范围内,实测与预计结果基本一致。     

固体充填采煤充实率控制导水裂隙带高度发育研究

为了研究固体充填采煤充实率对控制导水裂隙带高度发育的影响,分析了固体充填采煤覆岩移动变形特征,借助等价采高理论套用经验公式对固体充填采煤不同充实率导水裂隙带高度进行预计。运用数值模拟软件,通过对不同充实率导水裂隙带高度的模拟,建立了固体充填采煤导水裂隙带高度新的预计方法,其结果与套用经验公式预计的结果相吻合。工业性实验表明:固体充填采煤可以有效控制覆岩移动变形,顶板岩层整体保持其完整性,在煤层采高为3.5 m,采空区充实率为85%时,导水裂隙带高度在10 m左右的范围内,实测与预计结果基本一致。     

基于BP神经网络的导水裂隙带高度预测研究

在对复杂地质及水文地质条件下开采形成的导水断裂带发育规律分析的基础上,将基于非线性理论的人工神经网络技术用于导水裂隙带高度的预测.选取了顶板岩性、顶板抗压强度、覆岩类型、倾角、覆岩厚度、泥岩比、煤层采厚等因素作为导水断裂带预测模型的影响因子,建立了导水断裂带高度的预测模型.取得了较好的效果,准确判断了煤层开采后导水裂隙带的发育高度,为煤矿合理设计开采方式方法提供了重要的参数依据和技术支撑.     

主关键层结构稳定性对导水裂隙演化的影响研究

针对部分矿区采动导水裂隙异常发育的问题,采用模拟实验和工程探测的方法,就主关键层结构稳定性对顶板导水裂隙演化和含水层水位的影响进行了深入研究。结果表明：当主关键层与煤层间距小于7~10倍采高时,顶板导水裂隙会发育至基岩顶界面,但主关键层上部的导水裂隙会随主关键层结构稳定性的变化呈现出两种不同的演化形态。当主关键层结构稳定运动时,主关键层上部导水裂隙经历“产生-发育-闭合”的过程;当主关键层结构滑落失稳时,主关键层上部导水裂隙形成后难以随采动闭合消失。现场工程探测结果验证了上述主关键层结构稳定性对导水裂隙演化的影响规律。提出了采用高阻力支架来控制主关键层结构不发生滑落失稳的措施,使导水裂隙可以随采动逐步闭合,含水层水位逐渐恢复,进而实现保水采煤的目标。     

综采工作面导水裂隙带高度的钻孔探测

导水裂隙带是保水采煤研究与工程实践的重要参数,也是科学预测矿井涌水量的重要参数之一,尽管已有一些经验公式,但由于各矿井地质环境条件的差异,导水裂隙带发育高度很难用经验公式准确预测。因此,我们在榆神矿区榆阳煤矿施工了两个钻孔,根据冲洗液消耗量、岩心破碎程度、井中水位等指标,综合确定了榆神矿区榆阳煤矿2304综采工作面导水裂隙带高度,实测了综采条件下导水裂隙带发育高度。     

短壁条带机械化充填开采技术在鸿福煤矿的应用

短壁机械化充填开采能够实现“三下”压煤的安全高效开采.本文结合山西华润煤业有限公司鸿福煤矿的生产现状,研究了使用短壁条带采煤法与矸石胶结充填技术相结合,开采村庄下煤炭资源的技术。此技术能够实现煤矿特殊块段的绿色开采,对于一些受小窑破坏的资源整合矿井以及老矿区的残存资源回收具有重大的意义。     

水库下采煤导水裂隙带高度预测

本文采用人工神经网络技术,对新安煤矿小浪底水库下采煤导水裂隙带发育高度进行预测研究,选取了顶板岩性、顶板抗压强度、覆岩类型、倾角、覆岩厚度、泥岩比、煤层采厚等因素作为导水裂隙带预测模型的影响因子,建立了导水裂隙带高度的预测模型,准确判断了煤层开采后导水裂隙带的发育高度。本文的研究成果为新安煤矿合理设计小浪底水库下采煤的开采方式方法,提供了重要的参数依据和技术支撑。