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。     

厚松散层薄基岩煤层开采突水溃砂风险评价

通过对43下20工作面水文地质资料及钻探结果的分析,揭示了第四系厚松散层含、隔水层特征、底部黏土厚度及隔水性以及上覆薄基岩结构特征,建立了厚松散层、薄基岩工作面回采数值模型,计算得出冒落带发育高度为14m,导水裂缝带发育高度33m;确定工作面开采安全煤岩柱类型为"顶板防砂安全煤岩柱",并计算得到防砂安全煤岩柱高度为24.3m。结果表明:导水裂缝带及理论计算煤岩柱高度均小于最薄基岩厚33m,工作面开采厚度为2.5m时不具有突水溃砂风险。     

复合水体薄基岩下综放安全开采研究

为研究三元煤矿3301工作面在复合水体(地表水和第四系松散含水层)薄基岩下厚煤层综放开采安全性,采用地质钻探方式确定了第四系底部粘土隔水层的覆存状态,采用数值模拟和现场实测方法研究了薄基岩条件下近第四系松散层底部综放开采顶板覆岩破坏和采动裂缝发育规律。探测结果表明,三采区第四系底部有一层稳定的粘土隔水层,能有效阻隔复合水体下渗和抑制导水裂缝带的上行扩展。数值模拟和实测结果表明导水裂缝带高度发育至第四系底部粘土层底界面。采用顶板水预先探放和留设防塌煤岩柱技术方案在薄基岩条件下实现了地表水体和第四系松散含水层复合水体下综放安全开采。     

基于改进灰关联分析和熵权法的开采区域划定

为划定厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域,降低煤层开采的安全风险,通过分析国内外大量薄基岩厚松散含水层下煤层开采的工程案例,选取导水断裂带高度、厚松散层底部含水层单位涌水量、采高、厚松散层底部黏土层厚度、以及覆岩厚度5个指标作为煤层安全开采区域划定的基础指标,并以导水断裂带高度与采高平方根之比、底部含水层单位涌水量、底部黏土层层厚与采高之比以及覆岩厚度与采高平方根之比作为评价因子,将厚松散含水层薄基岩下采煤的综合安全性划分为5个等级。通过将熵权理论引入改进的灰关联分析法中,建立综合评价模型,对某矿厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域进行了划定。结果表明,应用该模型划定的煤层安全开采等级与实际等级完全吻合。     

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。     

浅埋深薄基岩矿井综放工作面导水裂缝带发育规律研究

转龙湾煤矿首采工作面煤层埋深160 m左右,基岩厚度60～120 m,属于浅埋薄基岩开采。本文分析了转龙湾煤矿II-3煤层覆岩特征,井下现场探测了首采试验区的采动覆岩破坏导水裂缝带发育高度,采用有限差分数值仿真方法模拟了薄基岩浅埋煤层综放开采条件下的覆岩运移破坏过程。研究表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"马鞍形"—"拱(箱)形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂缝带发育高度位于采空区中部,裂采比为20。     

浅埋近松散含水层下综放开采覆岩破坏特征

为实现浅埋近松散含水层下厚煤层综放安全开采,综合采用数值模拟、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔电视观测方法,对伊犁四矿覆岩破坏特征进行研究。研究结果表明:21-1煤层覆岩破坏最大高度可按照垮采比3.3进行预计,垮落带顶点距离古近系含水层22.72～25.35m,由于煤层埋深浅且基岩柱薄,导水裂缝带高度将穿过基岩柱,发育至第四系松散层底部,研究结论可为伊犁四矿后续水体下安全开采提供数据支撑。     

鄂尔多斯盆地侏罗系煤田保水开采技术与应用

煤炭是我国能源安全的压舱石,在保障煤炭资源开发安全的前提下,最大程度地实现对水资源的保护,是黄河流域煤炭工业高质量发展面临的重大科学难题。以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为背景,对不同水文地质和采矿条件下覆岩结构类型、导水裂缝带发育规律、地表裂缝分布特征、采动隔水层稳定性以及疏控水方案等方面进行了系统研究。针对厚基岩浅层地下水保护,监测分析了导水裂缝带与地表裂缝发育特征及其连通性,研究了保证隔水层稳定性的保水开采技术;针对浅埋薄基岩厚土层条件下的地表水体保护,探讨了黏土隔水层对导水裂缝带的抑制作用和采动影响下的阻水特性,研究了基于采动黏土阻水效应的保水开采技术;针对深部多重高压含水层,提出了"先疏后采与边采边疏相结合"的疏控水技术,实现了安全开采前提下的最大程度的对水资源的保护。     

软弱覆岩的两类结构模式及对导水裂缝带高度的抑制性

控制采动导水裂缝带不波及隔水层是水体下安全开采的关键.在软硬互层覆岩中的软弱泥岩和近风化带覆岩是两类典型的软弱覆岩.实例分析表明,软弱覆岩在导水裂缝带的发育过程中具有抑制性作用,近风氧化带内开采,导水裂缝带高度将显著下降;而厚层覆岩内泥岩只有赋存于导水裂缝带高度经验范围内,其抑制导水裂缝带发育作用明显.     

海下综放开采防水安全煤岩柱厚度的确定

针对龙口海域下开采的实际情况,分析了海域扩大区水文地质条件,收集整理国内13个矿区综放开采导水裂缝带高度实测数据,选取采厚、基岩柱厚度、倾角、顶板单轴抗压强度、泥岩比例和覆岩结构6种因素作为导水裂缝带发育高度预测模型的影响因子,建立导水裂缝带高度预测模型,并对不同采厚条件下导水裂缝带高度进行了预测;应用FLAC软件进行了断层条件下覆岩破坏规律的模拟,计算了不同落差、不同倾角的正断层对导水裂缝带发育高度的影响,得出在软弱覆岩类型综采工作面（采厚4.4 m）有正断层（倾角45~65°）、落差小于6.0 m的情况下,导水裂缝带发育高度较之正常地质条件下增大14.4%~22.2%.提出了综合考虑断层和正常条件的防水安全煤岩柱设计,确定在海域放顶煤开采正常覆岩条件下防水安全煤岩柱厚度为55.5 m;受断层影响条件下,防水煤岩柱厚度为62.5 m.     

深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析

赵固一矿首采面上覆松散层厚大于518 m,基岩厚小于80 m,为获得开采后覆岩垮落带和导水裂缝带的高度,合理确定工作面开采上限,采用地面钻孔观测法对该首采面覆岩的破坏高度进行了观测,并对钻孔设计、钻孔施工和"两带"高度判别方法进行了研究分析.观测结果表明:该首采面垮落带发育高度为13.1 m,垮采比为3.85,导水裂缝带发育高度大于29.2 m,裂采比大于8.59,该结果与相似模拟试验值和数值模拟值基本吻合,相互得到验证.     

可拓评判方法在厚松散层薄基岩下煤层安全开采分类中的应用

应用可拓评判方法与钻孔实测资料相结合,在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采等级评价的物元模型。选取松散层底部含水层单位涌水量、底部黏土层厚度、覆岩厚度、导水断裂带高度为评价模型的关键因素,对某矿六采区南部松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域应用可拓理论分类界定了安全开采区域。实际开采证实了该采区水体下开采安全等级划分的可靠性。     

漳河水库下厚煤层综放开采技术研究

为保障五阳煤矿7802工作面漳河水库下厚煤层综采放顶煤安全开采,研究综放开采导水裂缝带高度发育规律,探讨了综放采场覆岩结构破坏及采动渗透性间关系,计算了水库下综放开采安全所需防水煤柱高度,制定相应的防治水技术措施。结果表明:中至坚硬覆岩综放开采导水裂缝带发育高度基本与煤层一次采高成正比,比例系数为20.22;煤层顶板基岩厚度大于水库下安全开采所需煤柱高度;监测知井下工作面涌水与地表水体没有水力联系,实现水库下压煤安全开采。     

厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究

采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对厚松散层超薄基岩厚煤层综放开采覆岩的破断机理以及对采动裂隙发育的影响进行了深入研究。研究结果表明：超薄基岩在风化作用下,力学性质大幅度降低,煤层顶板中无基本顶关键层,工作面推进过程中形成动态平衡的应力拱,拱脚分别位于采空区稳定矸石上和工作面前方煤壁内,在应力拱的作用下,工作面矿压显现不明显;应力拱阻止了采动裂隙的发育,应力拱最终发育高度决定了采动裂隙的发育高度,采动裂隙在风化基岩中发育速度快,也极易闭合,虽然采厚较大,但最终有效导水裂隙带发育不高。研究结果合理解释了厚松散层超薄基岩综放开采静压大、动压小,动载系数小、采动裂隙发育不充分等现象,实现了超薄基岩下厚煤层综放开采安全高效生产。     

厚煤层综放开采水资源与环境保护技术研究

结合潞安矿区水体下采煤实例,分析研究了综采放顶煤条件下覆岩破坏规律与导水裂缝带发育规律,提出了综采放顶煤导水裂缝带最大高度的计算方法和计算公式,并在多个矿井成功进行了水体下综采放顶煤开采技术实践,有效保护了矿区水资源和生态环境。综采放顶煤条件下,导水裂缝带的发育高度要比普采条件下、分层综采条件下大得多,综采放顶煤条件下的裂高采厚比与分层开采初次采动的裂高采厚比基本相同,导水裂缝带的发育形态仍呈马鞍形。     

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。     

综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究

根据现场实测资料,结合相似材料模拟试验、数值计算,系统研究了潞安矿区综采放顶煤条件下覆岩破坏规律和导水裂缝带发育规律,揭示了覆岩破坏与岩层移动的机理。综采放顶煤条件下导水裂缝带异常发育,在同样采厚的条件下导水裂缝带最大高度比分层综采增大1.32倍,比普采增大2.23倍。综采放顶煤条件下裂高采厚比为19.75,与普采、分层综采初次采动条件下的裂高采厚比相近,基本符合初次采动导水裂缝带的发育规律。     

司马煤矿薄基岩区松散层特性与煤层安全开采

结合司马煤矿因松散层底板隔水黏土层存在大量"漏洞"的实际条件,运用数值模拟等方法定义并圈定了薄基岩区;通过钻孔岩性组合分析,岩土及渗透力学取样测定,岩相古地理研究等对松散层形成条件及垂向导水性能进行了研究.结果表明:司马矿松散层上部赋存主要含水层,而其中下部以黏土为主;第四系沉积中心为古河口,其沉积物厚度大、颗粒细、含导水性差,河道两侧沉积物颗粒变粗、厚度变薄、垂向渗透能力增强,根据基岩古地形即可划分出松散层垂向越流能力的强弱区;古河口沉积覆盖了薄基岩区的大部分,有利于水、沙控制;底部自承力强的硬黏土减小了支架的附加载荷,开采实践检验了研究结论的正确性.     

厚松散层薄基岩综采面覆岩破坏高度发育规律

为确保高承压松散含水体下缩小安全煤岩柱开采,合理回采防水煤柱内所留的煤层,在淮南煤田潘集矿区深厚松散层薄基岩条件下的综采工作面,采用地面地质钻孔、井下声波检层CT技术探测等多种现场实测手段,结合离散单元数值模拟,对深厚松散层薄基岩综采工作面覆岩破坏带高度发育的时空分布规律进行研究。研究结果表明：覆岩破坏带随工作面推进动态变化,随着综采工作面向前推进,导水裂缝带高度35.20～45.10 m,垮落带高度7.28～16.24 m;其覆岩破坏由下向上、由后向前逐步发展。     

淮北朱仙庄煤矿提高特厚煤层开采上限的认识

对松散层底部含水层的富水规律进行合理分区,依据不同的水文地质条件采取不同的煤柱留设方法。通过生产实践,得出松散层底部含水层的岩性及其结构、厚度、沉积特征、富水规律是正确提高上限的关键,覆岩的岩性及组合特征决定了导裂带的发育高度,基岩风化带的工程性质对开采的作用及相应地防治水措施。