大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

Stress analysis of longwall top coal caving

Longwall top coal caving (LTCC) is a relatively new method of mining thick coal seams that is currently achieving high productivity and efficiency in application, particularly in China. The technique is similar to traditional longwall mining in that a cutting head slices coal from the lower section of the coal seam onto a conveyor belt installed in front of the hydraulic support near the cutting face. In modern LTCC an additional rear conveyor belt is located behind the support, to which the flow of the caved coal from the upper part of the seam can be controlled by a moveable flipper attached to the canopy of the support. The mining method relies on the fracturing of the top coal by the front abutment pressure to achieve satisfactory caving into the rear conveyor.This paper develops a yield and caveability criterion based on in situ conditions in the top coal in advance of the mining face (yield) and behind the supports (caveability). Yielding and caving effects are combined into one single number called caving number (CN), which is the multiplication result of caving factor (CF) and yield factor (YF). Analytical derivations are based on in situ stress conditions, Mohr–Coulomb and/or Hoek–Brown rock failure criteria and a non-associated elastoplastic strain softening material behaviour. The yield and caveability criteria are in agreement with results from both numerical studies and mine data.The caving number is normalised to mining conditions of a reference Chinese mine (LMX mine) and is used to assess LTCC performance at fourteen other Chinese working longwalls that have had varying success with the LTCC technology. The caving number is found to be in good agreement with observations from working LTCC mines. As a predictive model, results of this analytical/numerical study are useful to assess the potential success of caving in new LTCC operations and in different mining conditions.     

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。     

近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构演化特征及其稳定性研究

针对近距离强冲击倾向性煤层上行复采覆岩结构演化特征与稳定性问题,以宽沟煤矿B4-1强冲击倾向性煤层复采为背景,建立强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型,提出煤柱最小安全距离的分析方法。采用物理材料相似模拟与数值模拟相结合的方法,运用压力传感器与SOS微震监测系统,对覆岩结构演化、矿压显现以及震源分布特征展开分析,利用覆岩结构的稳定性分析对冲击危险性进行评估。结果表明:B4-1强冲击倾向性煤层上行复采过程中,上部覆岩呈现以关键层为分界的"双倒梯形体"结构与关键层上部岩层集中垮断后的"单倒梯形体"结构动态式演变过程;余煤尺寸较小时上部倒梯形覆岩结构震源集中、能量大,采空区活化区域震源分散、能量小。提出了余煤复采中倒梯形覆岩结构稳定性分析的冲击地压危险性指数I_m、冲击临界位置关键层受力分析的冲击地压危险性指数I_n,定量化分析冲击危险性指数变化趋势,将B4-1煤层复采划分为覆岩相对稳定区、周期性明显破坏区、冲击危险区域3部分。数值模拟分析底板应力验证了双峰值应力叠加效应的准确性。采用三种方法综合分析得到了为确保近距离强冲击倾向性B4-1煤层上行开采的煤柱剩余尺寸为39.2m。研究结果为近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构稳定性研究提供了科学指导。     

煤层条件对顶煤可放性的影响研究

根据现场观测、相似材料模型试验和数值分析结果，研究了影响放顶煤开采顶煤可放性的煤层条件，提出了各种条件的临界值、影响规律和次序，得出了预测各种煤层顶煤可放性的综合表达式和分类方案。     

浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。     

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。     

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。     

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

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。     

采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试

 采用立体直流电法,通过在井下巷道中煤层顶底板位置施工若干钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,并根据采动进度测取不同时期岩层电场变化特征,进一步反演其三维立体电阻率值,可对上覆岩层受采动超前影响至后期变化规律进行全面的分析研究,为煤矿安全生产提供直观有效的技术参数。淮南某矿采面覆岩破坏顶底板跨孔立体电法测试应用中,共获得28组连续观测数据,对采动应力超前及顶板岩层变形与破坏裂隙发育特征给出动态分析,所获得的冒落带和裂隙带高度值与“三下”开采规程计算值相吻合。应用结果表明,与传统地面钻孔法及井下其他物探方法相比,该项自主创新技术具有测试成本低廉、结果判定准确、动态效应强等特点,其推广应用价值显著。     

深部厚硬顶板综放开采覆岩运移三维物理模拟试验研究

为分析深部厚硬顶板破断对厚煤层安全开采的影响,根据胡家河矿402102工作面工程地质和开采条件,构建了大型真三维相似物理模拟试验(3500 mm×3000 mm×2000 mm),开展了留煤柱双工作面开采的试验研究。利用光栅位移连续监测装置对采动覆岩位移进行实时监测,获得了厚硬顶板条件下厚煤层开采覆岩破断运移规律和"三带"动态演化特征。研究结果表明:厚硬关键层变形破断时,软弱岩层会发生协同运动,位移监测点位移量发生突增,监测点位移曲线随工作面推进呈"台阶式"变化。在一侧临空条件下,402102工作面亚关键层1(粉砂岩)初次破断步距为43 m,周期破断步距为21 m;亚关键层2(含砾粗砂岩)初次破断步距为74 m,周期破断步距为51 m;亚关键层3(中砂岩)初次破断步距为171 m。当亚关键层2发生周期性破断和亚关键层3发生初次破断时,采空区位移监测点位移量均发生增幅,覆岩发生大范围整体性运动,矿压显现较为剧烈;受402103采空区采动覆岩结构的影响,在402102工作面回采时,其回风巷侧覆岩运移较为剧烈,巷道受动压影响较大。根据位移监测点的位移量和覆岩变形碎胀因子max(Ki)的大小,对采动覆岩"三带"发育形态进行了初步判别,亚关键层1(粉砂岩)和亚关键层2(含砾粗砂岩)均处于冒落带中,且随着工作面推进,冒落带和裂隙带高度呈"台阶式"增大。     

3D numerical modeling of longwall mining with top-coal caving

There is a considerable amount of lignite reserve in the form of thick seams in Turkey. It is rather complicated to predict the characteristics of strata response to mining operation in thick seams. However, a comprehensive evaluation of ground behavior is a prerequisite for maintaining efficient production, especially when the top-coal-caving method behind the face is applied. Top-coal caving is the key factor affecting the efficiency of production at thick-coal seams. During production of top coal by caving behind the face not only a significant amount of coal is lost in the goaf but the coal drawn by means of caving is diluted considerably with surrounding rock. Therefore, it is not possible to carry out an efficient production operation unless caving of top coal behind the face is optimized. In this paper, results of 3D modeling of the top-coal-caving mechanism by using the finite difference code FLAC^3D at the M3 longwall panel of the Omerler Underground Mine located at Tuncbilek (Turkey) are presented. According to the modeling results, maximum vertical abutment stresses were formed at a distance of 7 m in front of the face. An analysis of the conditions of top coal has revealed that a 1.5 m thick layer of coal just above the shield supports is well fractured. However, a 3.5 m thick layer of coal above the fractured part is either not fractured or is fractured in the form of large blocks leading to obstruction of windows of shields during coal drawing. It is concluded that, in order to decrease dilution and increase extraction ratio and efficiency of operation, top coal should be as uniformly fractured as possible. Hence, an efficient and continuous coal flowing behind the face can be maintained. A special pre-fracture blasting strategy just sufficient enough to form cracks in the top coal is suggested by means of comparing with the results of numerical modeling.     

厚松散层薄基岩采动诱发水砂流运移特征试验

利用自制的水砂流运移及突涌模型进行试验,模拟了采动覆岩体裂缝通道中水砂流的运移与突出过程,研究了煤层开采水砂混合流运移特性。根据煤层采动引起覆岩破坏形成的垮落带、导水裂缝带通道情况,将水砂混合流运移通道侧壁面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的及有充填软弱泥质物质的 3 类,并针对这几种形态进行了模型试验。试验以 0.05 MPa 和 0.1 MPa 水压力条件下的不同通道裂缝宽度、不同倾角、不同通道侧壁形态为例,揭示了孔隙水压力在裂缝通道中不同位置的变化特征。突水涌砂在采空区是瞬间发生的,在裂缝通道内,根据孔隙水压力的变化,将水砂混合流运移过程分为相互关联的 3 个阶段：上升阶段、稳定阶段及突出阶段;总结了水砂混合流突出阶段的水压力变化曲线的特征,划分出了 3 种水砂突出类型：直泻式突出型、跳跃式突出型和缓坡式突出型。由此,探索了水砂混合流运移特征及动力机制。     

浅埋煤层长壁留煤柱开采方法的有限元分析

针对陕北府谷县郭家湾煤矿的浅埋煤层开采，通过对开采方法的研究，采用有限元仿真试验模拟方法，对实际采用的隔离煤柱和区内煤柱留设的不同方案进行了计算模拟试验，研究了采场煤柱群及上覆岩层的稳定性，探讨了造成大面积垮落灾变的机理，为陕北浅埋煤层以及西部类似条件下中小矿山合理、安全、经济的开发提供了重要的参考依据。     

极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论 与物理模拟

 伴随着中、厚煤层资源的枯竭,潞安集团下属十几个矿井都将进入下组煤开采。下组煤15–1#和15–3#煤层是以薄煤层群赋存在一起,平均间距为4.4 m,因此提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型,并进行理论和物理模拟试验研究。从理论上给出近距离薄煤层群联合开采下的工作面常规错距计算公式,并进行理论求解。为避免15–1#煤层顶板的周期垮落与15–3#煤层工作面回采时的超前效应相互影响,从安全角度考虑,将错距定为1.3～1.5倍的周期垮落步距,结合试验结果将常规错距定为17.5 m。物理模拟试验结果表明,常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因,并总结了在工作面推进过程中,顶板下沉主要经过两次大的变化,即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时,尤其是下层煤顶板垮落造成影响较大。     

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。     

Some aspects of unsaturated flow in jointed rock

The applicability of Darcy's Law to two-phase flow has been discussed. Specialised triaxial equipment has been employed to separately inject two pore fluid components (air and water) into fractured rock specimens, so that two-phase flow behaviour can be studied at high axial and confining stresses. Improvements to recently developed two-phase high-pressure triaxial apparatus have enabled the authors to continue their study of air–water (i.e. unsaturated) flow in intact and fractured rock specimens under a wide range of stress conditions, similar to those encountered in underground mining operations. In this paper, a simplified stratified two-phase flow model is also presented that satisfactorily predicts flow behaviour in an inclined rock fracture over a range of linear laminar flow for particular capillary pressure relationships. The mathematical model is based upon the principles of conservation of mass and momentum, and relates the fracture aperture (e_t) to phase permeability (k_i) using Poiseuille's law and the proposed ‘phase height’, h_i(t), for water and air phases. The experimental approach used to verify the model predictions is described and the predicted results compared with the measurements. The experimental data confirmed the relationship between relative permeability and flow rate, with respect to two-phase flow conditions.     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。