Research on exploiting residual coal around final end-walls by highwall mining system in China

To improve the resources’ recovery ratio and the economic benefits of surface coal mines, we present a residual coal extraction technology from final end-walls with highwall mining system in China. Based on Mark–Bieniawski formula and tributary area theory, the evaluation methodology of highwall mining parameters under the thick cover was given. Furthermore, the pillar design chart in the highwall mining system under the thick cover was also concluded. In order to examine the rationality of the pillar design with the presented methodology, numerical simulation was also carried out. The outcome shows that it will require a larger pillar width with the thickening of the cover; hence, the recovery ratio will decrease correspondingly. To improve coal recovery ratio, the backfilling technology should be considered under the thick cover. According to two-dimension numerical simulation results, the calculated methodology for pillar stability of highwall mining system under the thick cover presented in this article is acceptable. It also found that keeping the pillar width-to-height ratio above 1 is a key measure to maintain the pillar stable and integral under the thick cover. Meanwhile, it can be concluded that the bigger safety factor is demanded for roof of openings under much thicker cover and higher stress ratio. In other words, the highwall mining system is feasible to extract the residual coal around end-walls in Chinese surface coal mines. Thus, not only coal recovery ratio can be improved but also can increase the production life of surface coal mines in China.     

基于有限元法的矿柱开采稳定性分析与优化

基于武钢金山店铁矿矿柱现状,运用弹塑性有限元理论对矿柱开采可行方案进行了仿真模拟,对不同方案矿柱开采过程中围岩和地表的稳定性进行了分析。在对矿柱开采覆岩移动及地表变形规律进行总结的基础上,对金山店矿柱采用不同方案开采地表破坏区域进行了圈定,确定了合理的矿柱开采方案。     

矿山巷道矿压数值模拟推演及监测技术研究

为进一步掌握矿山窄矿柱沿空掘巷成巷技术,提高资源采出率。针对具体的生产地质条件,通过矿压监测、数值模拟等手段分析了窄矿柱巷道掘进、工作面推进和二次采动窄矿柱支承应力分布特征及影响。结果表明：1)巷道掘进期间,巷道前50 m压力较大,尤其是巷道两帮移近较为明显,两帮最大移近量约200 mm; 2)巷道掘进阶段、采动影响时期,回风顺槽与上运输顺槽之间留设5 m矿柱,形成较大的应力集中,矿柱内最大垂直应力为21.38 MPa,工作面前后方矿壁内的垂直应力约为30 MPa,应力集中系数约为3,影响范围约为84 m,矿柱最大垂直应力为41 MPa; 3)受二次采动影响,矿柱内的应力约为40 MPa,与一次采动相比变化不大,而应力峰值出现在工作面前方的三角区域,最大可达57.4 MPa,表明该区域是工作面回采期间的防治重点。矿压监测与数值模拟结果较为一致,进一步证明了研究结果的可靠性。     

基于FLAC3D的条带开采煤柱稳定性分析

为研究不同采出率开采条件下条带开采煤柱的稳定性及对地表的影响,采用了FLAC3D和Tecplot数值模拟软件,对不同采留宽条带煤柱的竖直应力分布和地表最大下沉值进行研究。结果表明:随着采出率的增加,煤柱单位面积所支撑的压力成线性增大;在煤柱的边缘形成应力的集中区,其应力等值线的形状呈马鞍形—平台形—拱形的变化,平台形可以看成煤柱从稳定向失稳过度的标志和临界点;根据模拟计算结果,建立了地表最大下沉值与条带开采回采率之间的关系式及最大竖直应力与采出率之间的关系式,为今后相关计算提供了科学依据。     

沙漠浅滩地表径流保水煤柱留设生态意义及方法

生态脆弱矿区地表径流保护煤柱的留设直接影响流域生态环境演变。以陕北神南矿区为研究背景,通过野外地质调查、取样测试,查明了沙漠浅滩矿区流域生态承载特征,在导水裂隙带发育规律研究的基础上,剖析了传统保安煤柱留设的局限性,从地下水动力学角度,提出了基于采动分水岭的保水煤柱留设方法。结果表明:沙漠浅滩地表径流承载了干旱缺水矿区绝大多数生态、生活、生产用水,而沙漠浅滩地表径流91.33%的流量源自砂层潜水补给,研究区地表流域附近首采煤层导高预计发育为40.4~69.2 m,采动造成采空区上方砂层潜水位消失,而基于分水岭的煤柱留设方法避免了地表径流向采空区反向渗流。实践计算证明研究区内常家沟保水煤柱62 m,大于传统保安煤柱34.8 m。     

三山岛北部海域金矿大规模海下开采地表岩移预测分析

三山岛北部海域金矿赋存于海平面下,设计生产能力达到12 000t/d,水下开采技术难度大,若矿体开采强度过高、顶柱隔离层保留不足,将可能造成海床沉降变形,引发海水倒灌的风险。根据矿床开采技术条件,在获取有限岩石力学参数条件下,本次采用软件模拟分析了海下矿床上向充填法开采条件下的地表岩移特征。研究结果表明,地表沉降变形最大值分布于矿体上盘区域,随着开采由深部逐渐转入浅部区域,地表沉降变形不断增大,研究建议留设160m顶柱,能够保证海下矿体安全开采。     

Pietra Serena mining in Fiesole. Part III: Structural-mechanical characterization and mining

The large and deeply exploitated quarry district of the Pietra Serena at Fiesole (Florence, Italy) was worked out through, centuries with no design or any preliminary investigation. In this paper, we characterize the Macigno stratigraphic succession outcropping in the Fiesole hills in terms of geostructural setting and geomechanical properties. We performed stability analysis to verify the safety of slopes of open pits and underground openings, as well as retrospective review of the methods to provide safe environment for Pietra Serena mining. __________ Translated from Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Polezuykh Iskopaemykh, No. 1, pp. 84–94, January–February, 2006.     

某铁矿隔水护顶矿柱厚度计算及安全影响预测

科学合理地确定矿山隔水护顶矿柱安全厚度是矿山安全生产的前提条件,为保障某铁矿地表民房、道路等建（构）筑物安全,防止矿山开采过程中产生的导水裂隙带贯通第四系含水层,采用荷载传递交汇线法、K.B.鲁别涅依他估算法和冒落带、导水裂隙带高度估算法3种理论分析方法对隔水护顶矿柱厚度进行计算,并利用数值模拟手段对留设隔水护顶矿柱后的开采过程安全影响进行了分析,对理论计算结果进行了验证。3种理论计算方法得出的隔水护顶矿柱厚度分别为14.3～17.3 m、17.5～31.4 m和41.8～57.4 m,推荐隔水护顶矿柱留设厚度为60 m。通过数值模拟分析得出,在留设60 m厚的隔水护顶矿柱的基础上,开采区域和隔水护顶矿柱位置产生的最大拉应力约0.47 MPa,矿山开采不会对隔水护顶矿柱造成破坏;地表产生的最大水平位移约5.8 cm,最大垂直位移约26.5 cm,最大倾斜为1.70 mm/m,最大曲率为0.20 mm/m2,最大水平变形值为0.70 mm/m,满足相关规范要求,预测矿山开采不会造成地表建（构）筑物破坏。     

神东矿区房采采空区下综采工作面动载矿压防治技术

神东矿区早期由于设备、回采工艺及历史原因等采用了房柱式开采。该工艺回采率低,遗留了大量煤柱,造成下层煤开采时矿压显现剧烈并存在有毒有害气体,严重影响采掘安全。鉴于此,阐述了房柱式采空区下综采工作面动载矿压的形成机理,可概括为3个阶段:1上覆房采煤柱受二次采动影响发生崩解破坏,顶板出现裂隙和弯曲下沉;2下分层综采工作面的破坏裂隙扩展至整个岩层;3上覆残留煤柱的回旋断裂与下分层综采工作面周期来压叠加,形成动载矿压。总结了安全掘进和回采的技术方案,主要包括3方面:1设计初期,合理布置采掘工作面位置;2回采时采用微震监测、矿压监测、地表裂隙与沉降观测的技术措施;3采用的工程措施主要有残留煤柱爆破、地表预裂技术及采空区充填。     

灰岩顶板巷道小煤柱尺寸确定及支护技术研究

辛置煤矿东四左翼采区开采10号煤层,基本顶为K2灰岩,为提高资源回收率,工作面间留设小煤柱。在地质力学参数测试和分析的基础上,理论分析和数值模拟确定了工作面合理小煤柱尺寸,设计了高预紧力锚杆锚索巷道支护方案,进行了现场试验。试验结果表明,6 m小煤柱设计宽度合理,巷道围岩应力较低;掘进期间锚杆锚索预紧力高主动支护效果好,锚杆锚索受力稳定,回采期间巷道两帮变形量可控,能满足工作面安全、高效开采的需求。     

Geomechanical support of geotechnical solutions in high stress mining

The authors emphasize advisability of the geomechanical laws and rules to be included in the geotechnical decision-making in terms of the Khibiny rock mass state assessment using numerical modeling. A procedure of finding seismic-hazardous sites in rocks by the seismicity parameters is described. The geomechanical control methods are presented for the surface and underground mining systems to achieve higher safety and efficiency mineral extraction.     

新城金矿深部节理裂隙调查及岩体质量分级评价研究

矿区深部工程地质调查与评价是“九五”国家重点科技攻关项目“新城金矿复杂条件矿床采矿方法研究”的一项重要内容。本文主要介绍矿区节理裂隙调查、统计的方法和结果,依据调查结果对节理裂隙的分布规律及其与地下巷道、采场围岩稳定性的关系进行了分析。根据矿区工程地质、水文地质和节理裂隙发育调查统计资料,矿区地应力测量和矿岩岩石力学性质试验结果等,采用ＣＳＩＲ地质力学分类方法,对矿区分布的主要岩组进行的岩体质量分     

某铁矿矿柱回采安全性研究

某铁矿二采区一中段采用空场采矿法进行采矿,经过多年开采该中段未处理采空区体积已经达到40万m3,遗留矿柱矿量超过26万t,为了充分回收矿产资源矿山计划回采矿柱。由于现场未处理的采空区体积较大,而矿柱又是维持采空区稳定性的关键要素,可能部分矿柱的回采或破坏就会诱发一定规模的地压活动,威胁矿山的正常安全生产。所以在矿柱回采之前,对回采区域的矿柱进行安全性研究,可以指导矿柱回采的实施,进而保障矿柱的正常安全回采。结合矿山的现场实际情况,以应力增量理论为基础,采用工程地质调查、室内试验结合数值模拟的方法,对矿山二采区一中段需回采矿柱的安全性进行研究,确定了各回采矿柱的安全系数大小。研究结果表明矿山二采区一中段的矿柱处于安全状态,可以进行部分矿柱回收。     

煤矿井下矸石充填技术与地面减沉效果

井下矸石充填开采不仅利用了矿井产生的矸石,而且采出了部分被压煤炭,较适用于建筑物下压煤开采,是实现煤矿绿色开采的重要途径之一。结合某矿巷道充填开采,采用计算机数值模拟技术,对煤矿巷道充填开采巷道间煤柱稳定性进行研究,选出较合理的煤柱留设宽度。根据实测结果,巷道充填开采实际充填率在80%左右。对某矿开采区域,采用巷道充填开采和条带开采2种方案进行进行预测,巷道充填开采地表沉陷效果较为显著。     

双煤层不规则煤柱应力—能量演化规律及防冲技术研究

煤矿开采遗留煤柱区域往往是高应力和能量聚集区,多煤层开采条件下,当上部遗留煤柱与工作面煤柱重叠时,多重应力作用下煤柱区应力分布及能量演化更为复杂,工作面回采过程中易发生动力现象.以某矿双煤层开采遗留不规则煤柱区开采为背景,采用数值模拟和工程实践等方法,研究了工作面开采过程中煤柱区的应力分布、能量演化规律,建立了不规则煤...     

大同矿区“三硬”条件地表沉陷数值模拟

针对大同矿区“三硬”条件马脊梁矿2号402盘区刀柱开采引发的井下工作面顶板大面积突然垮落和地表整体塌陷，采用三维有限差分法FLAC^3D软件进行采场力学行为模拟分析.从煤层的开挖到地表的塌陷，全面分析了开采历史过程的应力场、位移场和破坏场的分布与变化，以及采场内煤柱的稳定性.提出了采场内煤柱失稳破坏引起采场应力重新分布，出现煤柱群连续失稳破坏的多米诺效应，从而导致采空区顶板大面积突然垮落和地表整体塌陷.     

Using a Fluid–Solid Coupled Numerical Simulation to Determine a Suitable Size for Barrier Pillars When Mining Shallow Coal Seams Beneath an Unconsolidated,Confined Aquifer

Barrier pillars are an effective and fundamental measure to prevent water inrush when mining shallow coal seams under an unconsolidated, confined aquifer. Based on the complex geological and hydrogeological conditions in the southern area of the Qidong coal mine, the no. 6₁ coal seam there was selected for a research demonstration. A fluid–solid coupled numerical simulation was carried out using the universal distinct element code. The hydraulic pressures and seepage rates in overlying strata were analyzed for two mining cases, near the aquifer and near the fault. The results showed that the degree of interconnection between the bed-separated and vertical fractures, and increases in hydraulic pressures and seepage rates in overlying strata were key factors in predicting potential water inrush when mining shallow coal seams under an unconsolidated, confined aquifer. Combining the numerical simulation results with China’s coal mining requirements, the no. 6₁ coal seam can be mined up to 90 m beneath the unconsolidated, confined aquifer, which limits mining to an altitude of ?509.36 m. The width of the barrier pillar should be 30.7 m near the fault.     

“采-充-留”协调开采技术原理与应用

我国岩层移动控制主要采用条带开采、充填开采和协调开采方法。针对条带开采采出率较低、全采全充成本较高的问题,提出了一种"采-充-留"相结合的部分开采、部分充填、部分煤柱的协调开采方法,给出了留设煤柱、充填开采工作面、垮落法开采工作面的布置方式和采充留尺寸确定原则,分析了由充填体与小煤柱所构建的联合支撑体的作用原理和形成非充分开采的岩层移动控制实质。通过模型试验验证了该方法对地表下沉的良好控制作用,揭示了其控制覆岩及地表移动的机理。采用"采-充-留"协调开采技术,对某矿村庄下采煤试验区进行了方案设计,地表移动变形预测表明,该技术具有良好的减沉效果,建(构)筑物的损害等级可得到有效控制。该技术为提高滞压资源采出率、降低充填成本、减缓地表损害,提供了新的手段。     

建筑物下压煤条带煤柱巷柱式加固技术及应用

为了提高条带开采的采出率,可采取巷柱式加固煤柱、减小留宽的方法。通过数值模拟分析,揭示了巷柱式条带煤柱可以优化条带开采方案和煤柱加固方案,研究结果表明煤柱加固能减少留设煤柱的宽度,提高条带开采采出率。结合国内某矿特殊的地质采矿条件和巷柱式煤柱加固思想,在试验区采用拱棚木垛联合加固技术,木垛与棚架组成的巷柱式加固宽度1.5 m,间距2 m。通过井下煤柱位移监测和地表变形监测数据分析可知,井下巷柱式加固体最大竖向位移为361 mm,地表最大下沉值217 mm。煤柱加固有效地防止煤壁的破坏,地表变形得到了一定的控制,确保了建（构）筑物的安全使用。因此,巷柱式煤柱加固思想能为建筑物下采煤提供重要的途径和借鉴。     

Seismic–Geomechanical Control of Water-Impervious Strata in Potassium Mines

The safety control system for water-soluble mineral mining in complicated ground conditions is presented. The system is based on geomechanical interpretation of surface and underground seismic monitoring data. Mathematical modeling of water-impervious strata takes into account the whole set of geological and geotechnical factors determined from the seismic observations. It is shown that the seismic–geomechanical monitoring allows stress state control in waterproof strata, which ensures prompt decisionmaking on extra protection and minimizes accident risks.