煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。      

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题，以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象，概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构，运用数值模拟和理论计算等方法，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示:在相同的采高条件下，煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小，煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大；工程实例表明，黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系，利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。      

考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型研究——以淮北煤田为例

近松散层开采覆岩导水裂隙带沟通上覆含水层导致了顶板水害事故的发生。在其他开采因素相似时,工作面顶板覆岩结构的不同会致使导水裂隙带发育高度出现较大差异。为此,通过收集淮北煤田17例近松散层开采覆岩导水裂隙带发育高度实测数据作为训练样本,利用一行两列向量对近松散层工作面顶板覆岩结构进行量化,并联合煤层采厚、煤层倾角、工作面斜长、开采深度、松散层厚度共计6个影响因素作为输入数据,实测导水裂隙带发育高度作为输出数据,依据径向基函数神经网络建立了考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型。并将该预测模型应用于淮北煤田中的青东煤矿,经钻孔冲洗液漏失量与钻孔彩色电视观测验证,获得预测结果相对误差为3.3%,低于《“三下”开采规范》中经验公式计算误差19.2%。该方法为近松散层开采导水裂隙带发育高度的合理确定提供了理论支持。     

煤层开采覆岩预裂–注浆改性失水控制方法探讨

陕北榆神矿区煤层开采面临顶板水害防治与水资源协同保护技术需求,根据材料力学、断裂力学相关理论,以及不同覆岩类型的采动裂隙带统计成果,提出基于预裂–注浆改性(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路,其基本原理为通过压裂工艺将连续性好的基岩层压裂成非连续性岩层,削弱采动导水裂隙在坚硬岩层中向上扩展的“尖端效应”,抑制导水裂隙发育高度。再采用黏土类软弱注浆材料将岩层改性为相对软弱的岩层,起到抑制导水裂隙带向上发育与降低上覆岩层导水能力的双重作用,从而实现煤层顶板含水层失水控制。本文以陕北能源基地榆神矿区为对象,提出以采煤工作面地质与水文地质条件分析,采煤工作面顶板含水层涌(失)水模式识别,P-G模式、层位与时间确定,顶板岩层水平孔水力压裂与注浆改性为主要思路,对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨,为我国陕北能源基地榆神矿区顶板水害防治和水资源协同保护技术实践提供一定的借鉴。      

深部条带开采覆岩“三带”探测及量化评判

为研究深部条带开采覆岩裂隙发育高度这一采空塌陷区治理中的关键技术问题，综合运用工程地质钻探、钻孔电视与煤田测井3种方法对济宁煤田某煤矿覆岩采动裂隙进行探测与分析。结果表明:缓倾斜（煤层平均倾角6°）、深埋（平均埋深538 m）、采留比1:2（采50 m留100 m）的条带式采动下，覆岩“三带”特征显著，空间整体呈“波浪式”破坏形态，地下采空区无明显空洞；垮落带发育高度为8.45 m，为采高的3.0倍，断裂带发育高度为57.55 m，为采高的20.6倍；覆岩“三带”发育高度判别的8个量化指标中，钻孔电视法比工程地质钻探法、煤田测井法精确度高。探测结果较为准确可靠，为深部条带采空塌陷区治理方案的选择提供依据。      

缓倾斜地层顶板离层水对综采工作面的危害及防治探讨

以重庆松藻矿区在打通的一综采工作面缓倾斜地层中掘进时发生的两次顶板水灾为例,对其顶板突水原因进行了探讨。通过分析该矿区的矿井地质及水文地质条件,认为矿井充水水源为上覆地层的离层水。该矿井的M7-3煤层开采后,导水裂隙切穿了上覆地层长兴组灰岩,贯通了玉龙山一段灰岩隔水层,进入玉龙岩二段岩溶裂隙含水层。由于含水层的上覆岩层在采掘过程中,因岩性差异发生不均衡沉降,形成了大量的离层空间。离层空间吸收、储存的大量地表降雨在采掘工作面推进到一定位置时,就会发生突水。据估算,S1821工作面上覆岩体离层、裂隙储水空间按三分之一计算为2.064×105m^2,与该工作面抢险救灾期间排出的涌水量基本吻合。根据该矿离层水的赋存特点,提出了保证排水系统畅通,加强采煤设备管理,提高采面设计水平的防治水对策。     

基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征

导水裂隙带发育高度是矿井水害预测的重要技术参数之一。以彬长矿区文家坡煤矿4103工作面为研究对象,利用井-地联合微震监测技术对顶板导水裂隙带发育特征进行研究。研究结果表明:深埋煤层开采时,微震事件超前工作面回采位置发育,超前影响角最大为35°,最小为28°;断层的存在降低了覆岩稳定性,相较于正常基岩,更易在回采影响下发生应力集中和破坏;断层加大了微震事件发生的超前距,而采空区则使微震事件的高密度区向其所在部位发生偏移,加剧覆岩破坏程度,增大导水裂隙带发育高度;垂向上,4103工作面监测区内的微震事件高密度区域主要集中在高程+400~+520 m,结合微震事件数量和能量分布特征,判定4103工作面垮落带发育高度为50 m,垮采比13.16,导水裂隙带发育高度为117 m,裂采比为30.79。该成果可为彬长矿区类似煤矿深埋煤层顶板导水裂隙带发育高度研究及顶板水防治提供重要依据。移动阅读      

顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系,利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征;最后根据该矿的实际情况,提出部分充填开采方式预防离层水突涌的技术措施,并对该矿的部分充填方案进行优化模拟研究。研究结果表明:根据发生条件的不同将离层水突涌划分为5种模式,离层积水过程分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期;在保持充填率不变的情况下,随着走向采宽和充填宽度的同时同量增加,充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强,离层下部隔水层出现两侧应力增大现象,最佳部分充填方案为采宽80 m,充填宽度80 m,为顶板离层水害的预防提供新的思路。      

采场覆岩裂隙发育及高位钻孔优化设计——以祁南煤矿34_下2工作面为例

为了有效地提高高位钻孔的瓦斯抽采效果,采用数值模拟方法分析了祁南矿34下2工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律和离层率变化规律。判定了煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围;确定了钻孔法距参数的最佳范围为距32煤层顶板12~22 m的岩层区域。研究成果可为其他工作面高位钻孔的优化设计提供参考。     

采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。      

神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理

针对神东矿区煤层埋深浅、上覆基岩薄、厚松散含水层的地质条件,在回采期间,尤其是在第一次老顶断裂后,极易发生溃水溃沙。为了实现安全回采,研究了极具代表性的上湾煤矿12207工作面切眼区域,通过对该区域冒落带和导水裂隙高度,防水、防砂煤岩柱高度的研究,预测了矿井涌水量。依此为依据,采取了水文地质补勘、施工直通泄水孔、井下探放水、地面注浆等工程措施和井下工作面排水系统的建设等措施,实现了安全回采。      

Study on the Development Laws of Bed-Separation Under the Hard-Thick Magmatic Rock and its Fracture Disaster-Causing Mechanism

Based on the analysis of dynamic phenomena under the condition of high-located hard-thick (HLHT) stratum of one coal mine, along with the similar material simulation and theoretical analysis, the characteristics of bed separation development and cracks distribution under the HLHT stratum are studied. This paper proposes a discriminating method for overlying strata Three Zones considering the influence of HLHT stratum. The development laws of cracks and disaster-causing mechanism of hard-thick magmatic rock in different strata are respectively analyzed. The studies show that in line with the working face advancing direction, the height of bed separation under the magmatic rock increases in the trend of “Increase–Stability–Decrease”, and the width of bed separation increases linearly. The width of bed separation reaches the maximum before the first breaking of magmatic rock, the bed separation completely closes after the breaking. There are no obvious bed separations during the period migration of magmatic rock. Along the direction of the height of roof, the development of bed separation is characterized by bottom-up jump based on the key strata. The analyzed results of “Three zone” height obtained by the discriminate method of overlying strata Three Zones which is based on the key strata theory and the S–R instability theory are in line with the actual facts. When the hard-thick magmatic rock is in the fractured zone, large amounts of gas and water are easy to accumulate in the bed separation space and “O” ring space around the gob. The first breaking of magmatic rock may induce bed separation gas outburst and water inrush. When the hard-thick magmatic rock is in the sagging zone, the long-term stability of magmatic rock will not cause serious disasters. But with the adjacent working face mining, bed separation gas and water often become a safety hazard.     

徐州矿区奥灰岩溶水突出的原因与防治

徐州矿区开采深度大,水文地质条件复杂,水害严重。主要突出水源为奥陶系含水层。突水原因主要有:底板隐伏陷落柱或断层导水;底(顶)板含水层与奥灰含水层对接;顶板冒落裂隙带导通断层对盘的奥灰含水层;奥灰水通过基岩隐伏露头侧向补给矿井。其防治对策为:引进先进技术手段,探查分析奥灰岩溶水发育规律;分区隔离开采,完善防排水系统;注浆封堵突水通道;排供结合,综合利用。      

Mining Thick Coal Seams Under Thin Bedrock–Deformation and Failure of Overlying Strata and Alluvium

In underground coal mines, the failure of overlying strata can have disastrous effects where the working face is overlain by thin bedrock covered with thick alluvium. Roof failure under these conditions can cause a massive water and sand inrush. This paper presents a case study for a design to prevent such disasters in the Baodian mine, China. First, the engineering geological and hydrogeological conditions of the overlying lithified strata and the alluvium were obtained from field and laboratory studies. Numerical models were then built with different bedrock thicknesses using distinct-element modelling software. The deformation, failure, and subsidence of the overlying strata during simulated coal mining were studied using these computer models. Finally, the results of the model studies were combined with the geological data to design a reasonable layout for the longwall panel to be mined in the Baodian mine. Initial results showed that the alluvium was somewhat impervious and water-poor. The models showed that the first caving and weighting intervals of the roof decreased with decreasing bedrock thickness, and decreasing bedrock thickness also increased maximum subsidence of the alluvium. The maximum height of the caving zone and the minimum height of the sand-prevention coal and rock pillars were 34 m and 46 m, respectively. Knowing this allowed a somewhat shorter (204 m) but safe working face to be designed. This research provides a good background for the design of safe mines under similar conditions.     

陕北生态脆弱区保水采煤地质条件分区类型研究

生态脆弱区如何实施水资源保护性采煤是一项重大的研究课题,开展相关水文地质工程地质条件勘探测试,进行地质条件分区的研究,是实施保水采煤的重要基础和前提。以陕北典型矿井为例,在勘探测试的基础上,进采前、采后现场压水试验及室内模拟开采覆岩变形破坏过程渗透性变化试验测试等,结果表明煤层采动对上覆岩土体渗透性有不同程度影响。基岩中粉砂岩、泥岩开采前渗透性较小,可作为弱隔水层;煤层开采后,整体移动带内基岩的渗透性出现不同程度的增大,渗透系数提高了约1个数量级,而红黏土渗透性变异不明显,表明红黏土为采后的关键隔水层。按照采动后潜水漏失量、补给量和水位变化关系,将生态脆弱区保水采煤条件划分为不失水区、轻微失水区、一般失水区和严重失水区4种类型,依据水均衡原理推导出4种类型的条件分区确定公式,并给出了应用实例。     

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。