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。      

三维地震在煤矿开采中覆岩离层探测的试验研究

以山东济宁二号煤矿地下开采的覆岩变形为例,采用三维地震技术手段,在数据振幅保真处理的基础上,通过地震属性分析方法对由于地下采矿活动导致的离层发育情况进行了试验研究。结果表明:综合运用三维地震常规解释和三维地震振幅斜度属性分析技术,可以初步揭示覆岩离层的形态:在三维地震常规解释中,对于新采空区产生的覆岩离层,砂泥岩的强波阻抗反射特征将遭到破坏,而老采空区会因覆岩离层的闭合仍具有强反射特征;在地震振幅斜度属性与频率属性解释中,覆岩离层将导致地震波形、频率存在严重的畸变区域,即使与新采空区相邻的老采空区,其覆岩离层也会有明显的反应。通过类比分析,推断该区的覆岩离层范围为工作面后方50~80m,延伸距离160~180m,离层发育的最大尺度1m左右,两个注浆孔证实了此次三维地震推测的离层发育区范围及岩移的准确性。     

地下煤火燃空区覆岩裂隙分布模型和局部化特征

在推导出覆岩层下沉曲面方程和微元面平面伸张量方程的基础上构建了地下煤火燃空区各覆岩离层裂隙率、破断裂隙率和总裂隙率的二维分布模型,经实例分析发现,覆岩裂隙场是由离层裂隙场和破断裂隙场组成的竖向不连续具有各向异性的非均质多孔介质,覆岩四周裂隙率大,内部裂隙率小;随着覆岩埋深减小,裂隙发育程度逐渐降低,离层裂隙率极大值由0.36、0.20、0.14、0.12逐次降低,破断裂隙率极大值由0.32、0.11、0.05、0.02逐次降低;在覆岩中部区域出现裂隙率竖向变化突变点;覆岩周边裂隙率分布形式由破断裂隙主导,内部则由离层裂隙主导。基于钻孔红外热像分析技术提出了一种间接性的覆岩裂隙现场实测方法,经验证选取的5个点的裂隙率计算值与实测值的差异率都小于9%,差异率低,模型具有较高的可靠性。     

影响覆岩离层注浆减沉效果的地质因素

煤层开采后,采空区上覆岩层内产生离层现象,注浆充填离层可以减小地面沉陷。覆岩离层注浆减沉效果受离层带地层条件、离层围岩透水性和工程地质特性的影响,表现为离层的形成、宜于注浆的离层带的位置、注浆液的保存与支承力的维持。      

采后覆岩分带模型及工程意义探讨

采后覆岩力学状态与顶板事故、顶板水害等直接相关,有必要对采后覆岩结构进行深入研究。提出了覆岩结构“新四带”模型:垮落带、裂隙带、基岩离层带、松散冲积层带。结合前人的“三带”模型、“四带”模型进行了空间上对比分析,厘清了3种分带模型的空间关系。重点从覆岩内含水层水位受采动影响、光纤探测、顶板淋水现象等几个方面探讨了“新四带”模型的科学性,得出煤层上覆基岩内任何层段都可能产生离层裂隙(达到一定宏观尺度时称为离层空间)的结论。“三带”主要用来校核采煤支架的额定工作阻力以及指导防隔水煤(岩)柱的设计;“四带”可在一定程度上指导离层带注浆工程实践,但存在井下溃浆安全风险以及弱化“三带”原有工程价值的缺点;“新四带”传承了“三带”的工程意义,同时可有效指导顶板离层水害的防治。      

采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究

用有限元数值计算尝试了离层模拟,并分别采用数值模拟与相似模拟的方法研究了木架山矿区143剖面倾斜采空场处理时的地表移动与覆岩破坏规律。研究发现,随着矿柱的崩落,覆岩跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终对称于最大沉降点;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40 %,且水平移动不对称。另外,当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。     

基于数值计算的覆岩移动离层量计算方法

地下煤层开采后造成的地表沉陷，对矿区环境，特别是铁路、房屋等建筑物造成重大危害。覆岩离层带高压注浆减缓地表沉降技术可以有效地减少或缓和沉降向地表发展。离层空间发育大小是进行离层带高压注浆工程设计的重要参数之一。文章的研究基于数值模拟，采用三次样条曲线回归方法，推导出一套计算采动覆岩离层量大小的公式。配合有限元计算，可以动态地计算离层空间的变化过程。对离层带高压注浆减缓地表沉降工程具有指导意义。     

贵州省腾龙煤矿溃水溃矸事故形成机制分析

腾龙煤矿10903工作面发生了离层水导致的溃水溃矸事故,通过事故现场、涌水情况、溃入物质及支护变化进行了事故类别判断。为研究溃水溃矸的形成机理,通过分析工作面顶板地质结构及含水层特征,阐明了工作面发育离层水的地质条件;基于采场顶板覆岩组成、离层相似模拟试验,指出煤层上部的长兴组灰岩是控制覆岩形成离层空间亚关键层,长兴灰岩水是离层水的主要补给水源。分析研究了事故发生前工作面迎头构造发育、采掘及顶板支护变化,指出离层水发育、断层破坏及支护缺陷导致顶板碎裂岩体架前切冒,形成了溃水溃矸。     

辽宁三台子水库下特厚煤层综放开采覆岩破坏特征

为确保水库下特厚煤层综放开采安全,合理留设防水安全煤岩柱,大平煤矿采用钻孔冲洗液耗失量法对覆岩破坏进行了观测研究。经对7个工作面测站12个覆岩破坏观测钻孔实测资料分析研究得出:煤层采出厚度7.54～15.17m,工作面推过36～40d,滞后工作面距离110～120m时覆岩破坏发育最充分。实测导水裂缝带高度为采高的15.31～19.97倍,明显大于类似软弱覆岩地层条件普通长壁全陷法开采覆岩破坏导水裂缝带发育高度。导水裂缝带上方,明显有集中发育的离层破碎带存在,实测离层破碎带高度为181.58～390.75m,是采高的24.22～36.00倍。     

煤矿环境治理技术新进展及应用

我国煤炭资源的长期大规模开发和利用引发了一系列环境问题,主要包括环境污染、资源破坏和地质灾害三类。地下充填方法是一种行之有效的生态环境修复方式。新型离层注浆技术可有效预防因采煤塌陷产生的环境问题,同时解决煤矿建筑物压煤问题,实现顺序开采,延长了煤矿生产年限,缓解了矿山关闭所带来的环境问题。中国煤炭地质总局在采煤沉陷治理领域以新型覆岩离层注浆技术为核心,形成了产学研用一体化的采煤沉陷区治理综合技术体系。通过对新型离层注浆技术的研究与实践,形成了厚煤层覆岩离层注浆控制采空塌陷技术体系,完善和发展了采空塌陷控制理论与技术。该技术在夏店煤矿得到了成功应用,取得了较好的经济和社会效益     

Localization of mining-induced horizontal fractures along rock layer interfaces in overburden: field measurements and prediction

The locations of mining-induced horizontal fractures along rock interfaces in the overburden of Donetsk Coal Basin were identified using an original experimental device. The device traps methane from horizontal fracture zone (100–fold coal seam thickness) over an active longwall mining excavation. Presence or absence of horizontal fractures along rock layer interfaces is correlated with physical characteristics of the overburden, such as thickness, uniaxial compressive strength of overburden rock layers, location of rock layer interfaces and thickness of extracted coal seams. As a result, a combined criterion based on these physical characteristics is proposed to predict the presence of overburden horizontal fracturing in coal mine operations.     

红层与煤系复合结构覆岩采动破坏分析及其应用

许多矿区煤层采动影响范围内的覆岩层由红层和煤层共同构成。本文研究了山东省太平煤矿东区二叠系 3号煤层覆岩破坏和防水煤柱留设的问题 ,在对上覆第四系水文地质条件分析的基础上 ,对红层和煤系复合结构覆岩的工程地质特征和破坏状况进行了分析 ,确定了合理的防水煤岩柱高度 ,并经过开采验证 ,避免了水害发生.     

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

煤系岩石工程地质性质指标变异性研究

对山东金山矿区３煤覆岩及底板工程地质性质类型的物理力学性质指标的变异性进行了研究,用Ｋ－Ｓ法进行的概率分布类型拟合检验表明,各指标基本服从正态分布;另外,还对煤系岩石物理力学性质指标的关联性及各向异性特征进行了初步分析,为煤矿工程地质可靠度研究提供了依据。     

采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征

以孟加拉国Barapukuria煤矿X工作面为试验区,采用井下钻孔分段压水原位测试及相关理论计算方法,研究了工作面回采前后覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征。研究结果表明,工作面回采前后,覆岩渗透性变化显著,采后覆岩渗透性具有明显的垂向分带特征。自覆岩导水裂缝带顶部至底部,渗透性呈阶梯状逐渐增大,可细分为弱渗透带、中渗透带和强渗透带。研究结果对煤矿区水文地质参数识别与涌水量预测工作具有指导意义。      

姚楼井田B煤防水煤岩柱留设研究

根据姚楼井田地质勘探所取得的资料,分析了Ｂ煤开采上覆岩土层的水文地质结构及工程地质特征,对该井田厚松散层含水层下近露头带开采的防水煤岩柱尺寸作出了评价,为开采设计提供了初步依据。     

陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比

多煤层开采条件下煤层覆岩破坏具有独特的特征，影响矿井生产布置。以陕北某矿为例，以该矿地质采矿条件为基础，采用相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法，通过建立模拟模型，开展了双煤层开采对覆岩的破坏影响研究。结果显示:留设不同宽度的煤柱，采用相似材料模拟和数值模拟2种方法得到的煤层覆岩垮落带高度、裂隙带高度都基本一致；在双煤层开采时，留设的煤柱宽度越大，两个煤层的叠置区域就越小，煤层开采对覆岩的破坏程度就越小。在工作面布置时，建议增大两个煤层的开采距离，并尽量增加煤柱宽度，以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。研究成果为类似双煤层开采工作面的设计及覆岩破坏控制提供技术支撑。      

霍洛湾煤矿22101工作面顶板两带发育规律

在详细分析霍洛湾煤矿水文地质条件基础上,根据2-2煤层上覆不同岩层的岩石力学参数建立了工作面回采过程中覆岩变形与破坏特征的数值模拟模型,研究了工作面回采过程中顶板覆岩在不同来压阶段导水裂隙带和垮落带的发育高度;通过对钻孔冲洗液漏失量的现场观测,进行了“两带”发育高度的探测。将数值模拟结果及现场观测资料对比分析,确定22101工作面的导水裂隙带高度为33.6~37.8m,垮落带高度约9.6m。这为评价研究区水体下开采可行性和水体下开采防水煤柱的设计提供了科学依据。      

榆神矿区采煤失水危险性分区研究

以榆神矿区区域地质资料为依据,总结了该区煤层与含(隔)水层空间组合类型; 采用三维数值模拟方法,根据塑性条件、破坏准则及应力判别,模拟首采煤层与含(隔)水层空间组合类型下导水裂隙带高度; 通过对比钻孔探测法与数值模拟法,发现数值模拟法具有可行性; 利用模拟结果,绘制矿区导水裂隙带高度空间分布图,总结矿区导水裂隙带高度的整体分布规律; 对比导水裂隙带高度与其首采煤层上覆岩层厚度,总结矿区采煤失水危险性,并进行采煤失水危险性分区; 通过控制采煤失水危险区域的采厚可以达到“保水采煤”的效果。本研究对榆神矿区后期安全生产具有重要的理论意义与实际价值。     

Environmental assessment and nano-mineralogical characterization of coal,overburden and sediment from Indian coal mining acid drainage

The deterioration of environmental conditions is the major contributory factor to poor health and quality of life that hinders sustainable development in any region.Coal mining is one of the major industries that contribute to the economy of a country but it also impacts the environment.The chemical parameters of the coal,overburden,soil and sediments along with the coal mine drainage(CMD)were investigated in order to understand the overall environmental impact from high sulphur coal mining at northeastern coalfield(India).It was found that the total sulphur content of the coal is noticeably high compared to the overburden(OB)and soil.The volatile matter of the coal is sufficiently high against the high ash content of the soil and overburden.The water samples have a High Electrical Conductivity(EC)and high Total Dissolve Solid(TDS).Lower values of pH,indicate the dissolution of minerals present in the coal as well as other minerals in the mine rejects/overburden.The chemical and nano-mineralogical composition of coal,soil and overburden samples was studied using a High Resolution-Transmission Electron Microscopy(HR-TEM),Energy Dispersive Spectroscopy(EDS),Selected-Area Diffraction(SAED),Field Emission-Scanning Electron Microscopy(FE-SEM)/EDS,X-ray diffraction(XRD),Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FTIR),Raman and Ion-Chromatographic analysis,and Mossbauer spectroscopy.From different geochemical analysis it has been found that the mine water sample from Ledo colliery has the lowest pH value of 3.30,Tirap colliery samples have the highest electrical conductivity value of5.40 ms cm~(-1)Both Ledo and Tirap coals have total sulphur contents within the range 3-3.50%.The coal mine water from Tirap colliery(TW-15 B)has high values of Mg~(2+)(450 ppm),and Br~-(227.17 ppm).XRD analysis revealed the presence of minerals including quartz and hematite in the coals.Mineral analysis of coal mine overburden(OB)indicates the presence both of pyrite and marcasite which was also confirmed in XRD and Mossbauer spectral analysis.The presented data of the minerals and ultra/nano-particles present shows their ability to control the mobility of hazardous elements,suggesting possible use in environmental management technology,including restoration of the delicate Indian coal mine areas.