煤矿采空区地面探测技术与方法优化

为探明鄂尔多斯矿区采空区的分布范围及存在的安全隐患,采用高密度电阻率法、瞬变电磁法、EH-4大地电磁法和浅层地震法等4种地面采空区探测技术,通过野外数据采集、数据预处理(包括干扰信号剔除)和反演计算,作出视电阻率综合剖面和时间剖面,来解译采空区的几何和物性特征,建立了一套适合该区地方煤矿采空区探测的技术方法。结果表明:高密度电阻率法、浅层地震法适合近地表浅层采空区探测,探测深度小于200 m;瞬变电磁法适合中等深度采空区探测,探测深度小于600 m;EH-4大地电磁法适合大深度采空区探测,探测深度小于1 000 m。     

电阻率测深法在煤矿水害探测中的应用

为解决煤矿断层导水和奥灰水的水害问题,以五沟煤矿作为研究对象,通过比较瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、高密度电法和直流电阻率测深法4种物探方法的优缺点,最终选用抗干扰能力强的直流电阻率测深法在该区进行了探测工作。研究结果表明,在地形相对平坦、接地条件好、但存在一定地电干扰的矿区采用直流电阻率测深法能够较好地探测断层的富、导水性和奥陶系灰岩顶界面地层的富、含水性。断层富、导水表现为沿断层带有低电阻率异常条带反映;奥陶系灰岩顶界面地层富、含水表现为低电阻率异常区、带反映。依据各剖面图和平面图上视电阻率变化综合反映这两种水害的表现形式,为煤矿水害探测提供了新思路和技术。     

三台子水库下压煤综放开采覆岩破坏充水特征

针对水库下特厚煤层综放开采安全问题,采用地面钻孔冲洗液漏失量法、EH-4连续电导率剖面仪法,对大平煤矿N1S1工作面采动前后覆岩破坏及充水状况进行了探测,利用RFPA2D系统对覆岩变形破坏进行了反演和模拟。结果表明:覆岩破坏导水裂缝带发育在工作面采空区上方垂直方向卸压、水平方向拉伸区覆岩内,顶界面深度220.92 m,钻孔冲洗液漏失量平均0.50~0.71L/(s·m);白垩系砂及砂砾岩承压含水层下部微弱含水段处于导水裂缝带内,深度约200 m水平之下岩层呈充水状态,视电阻率20~40?·m;导水裂缝带上方,深度约120 m水平以下,岩层呈垂直方向卸压、水平方向压缩状态,离层破坏发育,不导水。水库下采煤是安全的。     

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明:大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80~192.12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈"台阶"型。     

厚煤层开采垮落带及导水裂缝带高度探测方法

为研究厚煤层综放开采(一次采全高放顶煤)、中硬~坚硬覆岩条件下厚煤层开采顶板垮落带及导水裂缝带发育高度,以鹤岗矿区为例,采用冲洗液漏失量观测、水位观测,井下彩色电视观测法、超声波成像测井法等现场实测方法及室内相似材料模拟、FLAC3D数值模拟等方法进行探测研究,确定其垮落带及导水裂缝带高度,推导了适合鹤岗矿区厚煤层开采的垮落带及导水裂缝带高度的预测公式,对其进行了验证,总结出了适合厚煤层顶板垮落带及导水裂缝带发育高度的探测体系。     

煤层开采覆岩破坏发育规律动态测试分析

针对工作面覆岩破坏高度观测的需要,改进单孔测试方法,利用顶板岩层钻孔和巷道形成探测区域,采用孔巷电阻率法进行电性参数采集与处理,在工作面回采推进过程中进行动态测试,根据顶板岩层视电阻率值的变化分析其内部结构变化特征,获得覆岩变形与破坏的发育规律,以及“垮落带、导水断裂带”发育高度值。在淮北某煤矿工作面顶板孔巷电性参数测试结果表明,该工作面开采条件下其垮落带高度为8.1~8.5 m,导水断裂带高度为29.0~32.5 m。根据岩层不同时间电阻率值分布的有效对比,可清晰分辨煤层顶板岩层变形与破坏的过程和规律,且多断面测试结果表明其实测结果的可靠性。     

厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度

导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数,为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度,以某矿11915工作面为例,综合运 用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段,对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的 钻孔漏失量变化规律,结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度,并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m),软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m,垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02,垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段,覆岩裂隙带以离层的形式向上发育,以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征,是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的,但需要观测设备需要满足一定的封孔压力,封孔胶囊具有足够长度,并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲,钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法,但施工量大,成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度,并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析,获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用,降低导水裂隙带高度的探测成本。导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数,为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度,以某矿11915工作面为例,综合运用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段,对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的钻孔漏失量变化规律,结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度,并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m),软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m,垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02,垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段,覆岩裂隙带以离层的形式向上发育,以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征,是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的,但需要观测设备需要满足一定的封孔压力,封孔胶囊具有足够长度,并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲,钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法,但施工量大,成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度,并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析,获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用,降低导水裂隙带高度的探测成本。     

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。     

导水裂缝带高度的多方法综合确定

为了确定山东某矿7108工作面的上覆岩层导水裂缝带高度,采用导水裂缝带理论计算公式法、经验类比计算法、覆岩关键层计算法分别对工作面导水裂缝带发育高度进行理论计算,此外,还进行现场实测,克服了单一方法的局限性。现场实测采用井下钻孔分段注水观测法,测得导水裂缝带高度为97.7m。通过对这4种方法得到的结果综合对比分析,得出7108工作面导水裂缝带高度为97.7~108.8 m,为该矿井防治顶板水提供了依据。     

半胶结中低强度围岩导水裂缝带发育特征研究

为获得半胶结中低强度围岩条件下巨厚浅埋煤层开采导水裂缝带高度及发育特征,以榆神矿区金鸡滩煤矿101工作面与转龙湾煤矿23103工作面为例,分别采用地面钻孔探测(岩芯工程地质编录、冲洗液漏失量观测及钻孔电视系统)与井下探测(钻孔双端封堵测漏法)对采空区上覆岩层导水裂缝带高度及形态进行了现场探查,采用相似材料模拟和数值模拟对不同开采煤层厚度的导水裂缝带演化规律及发育高度进行了研究。根据现场实测和模拟结果,结合其他相似条件的矿井实测数据,对导水裂缝带发育高度与煤层采厚的关系进行了拟合分析。研究表明：大跨度工作面导水裂缝带发育高度与煤层采厚为二项式关系,随采厚增加,导水裂缝带高度增大,但增大趋势变缓;导水裂缝带发育形态为平顶拱形,在工作面推进距离与工作面斜长近于相等时,“裂隙拱”在垂向上不再扩展,此时导水裂缝带高度达到最大。     

综放开采工作面覆岩EH-4电导率分布特征

为了解采动覆岩破坏充水情况,确保水库下压煤安全开采,大平煤矿利用EH-4电导率成像系统在N1S1工作面对采动覆岩进行了探测。经对岩层电导率图象解译:工作面推过22 m,采空区上方岩层内形成一拱型高阻区,电导率800Ω以上岩拱高度约90 m(相当于采高的7.2倍);工作面推过92 m,采空区上方高度约300 m(相当于采高的24.2倍)为拱形低阻区,岩层电导率30Ω以下,离层破碎岩层集中发育在拱顶部区域。工作面超前约70°角范围,岩层破坏充水,电导率下降。推过160～190 m后,上覆岩层电导率普遍在10～20Ω之间,呈充水特征。     

综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度研究

为防治顶板水、 防水煤柱留设而需合理确定顶板 “三带冶 高度。 以西山镇城底矿8煤为研究对象, 采用井下仰孔注水测渗漏法和瞬变电磁法实测导水裂缝带高度, 运用FLAC3D软件对上覆岩层的冒落、 岩移规律进行了数值模拟。 结果表明： 数值模拟与现场实测得到的导水裂缝带基本一致, 综合确定导水裂缝带高57. 58 m, 其中冒落带高16.32 m, 裂缝带高41. 26 m, 说明 《煤矿安全规程》 中有关导水裂缝带统计经验公式不适用于中厚煤层综采一次采全高开采条件。     

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。     

特厚煤层综放开采覆岩破坏高度

为了对特厚煤层综放开采覆岩破坏高度进行深入研究,以同忻煤矿15 m特厚煤层为实例,采用多种方法进行论证。采用关键层理论和材料力学相关理论,对8100工作面回采过程的覆岩破坏情况进行研究,结果表明:覆岩破坏高度最大为174.6 m,各亚关键层控制着覆岩破坏的发育,主关键层抑制着覆岩破坏的发育。应用EH-4大地电磁法和数值模拟方法,综合确定了覆岩破坏高度为150~172 m,验证了理论计算结果的正确性,理论计算可对覆岩破坏高度有效预计。研究表明:同忻煤矿综放开采覆岩破坏高度为采高的10.0~11.5倍,关键层的破断控制着覆岩破坏的发育。     

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。     

高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带发育规律研究

为了研究中硬偏坚硬覆岩高强度综采条件下覆岩裂缝带发育规律,根据潞安矿区王庄煤矿6206工作面开采地质条件,利用现场实测、数值仿真、相似材料模拟等手段综合研究确定了中硬偏坚硬覆岩综放一次采全厚导水裂缝带的发育高度。结合潞安五阳煤矿分层综采裂缝带高度观测资料,分析表明中硬偏坚硬覆岩高强度综采条件下(分层综采和综采放顶煤)覆岩裂缝带高度与M/n成正比更符合现场实际情况,裂高采厚比达到20.2倍,所得经验公式可以用于类似条件下开采覆岩破坏高度预计,获得的裂高可以作为潞安矿区水体下采煤留设保护煤柱及保水采煤方案制定的参考依据。     

含水层下综放开采膏体充填技术与应用

针对含水层下厚煤层开采时易发生突水灾害的问题,以陕西某矿为工程背景,提出了1种综放开采过渡支架后方膏体充填技术,阐述了该技术的原理和工艺流程,利用数值模拟、现场观测的方法,分析了架后充填开采导水断裂带发育特征及工作面涌水量变化规律。数值模拟结果表明,采用架后充填技术后,工作面导水断裂带发育为矩形,最大发育高度为67.2 m。现场观测结果表明,采用架后充填技术后,架后充实率可达90%,工作面涌水量由220 m^3/h显著下降到90 m^3/h,工作面推进200 m后导水断裂带最大发育高度为76.8 m。研究结论表明,该技术有效地降低了覆岩导水断裂发育高度,可实现含水层下厚煤层安全开采。     

薄基岩厚松散层下充填保水开采安全性分析

为研究薄基岩厚松散层下充填开采安全性,选择五沟煤矿CT101充填工作面为研究对象,通过理论分析、数值模拟和钻孔探测,对CT101充填工作面隔水关键层稳定性进行了分析,揭示薄基岩厚松散层下充填开采覆岩裂隙高度(深度)及其变化规律,并对开采安全性进了分析。结果表明:采高3.5 m,矸石充填率为85%时,关键层未破断,隔水关键层保持完整;下行裂隙多分布在工作面两端,且具有弥合性,随工作面推进周期性增大、减小,实测下行裂隙深5.5 m,上行裂隙高6.41~11.85 m,剩余隔水层组厚度为17.38~23.97 m,工作面可实现安全回采,为类似采矿地质条件下开采安全性分析提供了借鉴。     

特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律数值模拟

 以华亭陈家沟煤矿综放采场实测导水裂隙带发育高度成果数据为基础,应用FLAC3D反演计算模拟分层综放开采引起的煤层覆岩破坏规律,并与实测数据进行了对比分析得出：分层综放开采后覆岩移动破坏形成“拱”式承载结构,拱脚压应力高度集中;导水裂隙带发育形态也近似为“拱形”,与实际探测高度拟合度较好;分析了开采过程中覆岩的位移场、应力场和塑性破坏区分布规律。研究结果可为深入研究分层综放开采覆岩破坏规律提供借鉴。     

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征,采用理论与现场实测分析相结合的方法,对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析,得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高,达10.5～13.5 MPa,应力集中区深度为40～70 m,剪应力波及范围达180 m;8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170 m;工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。