大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。     

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。     

测井方法在观测采空区上覆岩层导水裂隙带发育高度中的应用

新安矿区主采煤层上部至小浪底库区水体之间地层主要以砂岩、泥岩和砂质泥岩互层为主,厚度90~210m。为研究该矿开采状态下上覆岩层破坏程度和导水裂隙发育高度,在井下3个不同采厚的工作面上布置了7个地面钻孔,采用声波扫描成像测井及其它测井参数对采前、采后上覆岩层进行动态观测。以K3钻孔为例,介绍了超声波扫描成像测井的原理及辨别井孔中裂缝发育程度的方法。K3孔在第一次测量时,井深217～218m处明显存在裂隙,但在第二次测量后该裂隙呈现出闭合反应,证实煤层开采放顶后上部岩石下沉使得原有裂隙闭合;同时发现自194m以上因煤层采空放顶后发育有高度为69.10m的裂隙带。根据新安煤矿K2、K3、K5、K6、K7号孔超声波扫描成像及其它常规测井的地质解释成果可见,该矿导水裂隙带的发育高度随着推进距离和采厚增大而增大,但新安矿区软硬互层上覆岩层的地质构造可有效抑制导水裂隙带的发育程度。     

井下仰孔注水测漏法探测导水裂隙带高度的研究

通过分析许厂煤矿1302上工作面具体地质条件与开采条件,在进行合理覆岩破坏发育规律预测的基础上,选择先进的井下仰孔测漏法探测导水裂隙带高度,在现场进行了一个采前孔与两个采后孔的注水漏失量观测,并分析了采前、采后注水漏失量随钻孔深度变化曲线,获得了本工作面覆岩导水裂隙带发育高度.     

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。     

利用测井数据解析含煤地层渗透特性

研究受采动影响含煤地层渗透特性的变化规律,结合电视钻孔成像技术综合分析覆岩破坏高度,对煤矿开采瓦斯抽放系统钻孔位置合理布置具有重要意义。根据测井资料（密度、伽马）,解析地层边界、泥质含量及纯岩段夹层、弱层的存在及其对含煤地层渗透特性的影响。理论分析与现场实测表明:原始地层伽马曲线和泥质含量可以解析泥岩、粘土层和夹层、弱层的位置;含煤地层渗透率受采动影响,渗透率增高区由采前泥岩、粘土与其他岩体层交界和原始裂隙区向采后纯岩夹层、弱层区演化;被研究含煤地层冒落带顶点深度433 m,裂隙带顶点深度382 m。      

井下钻孔电阻率法岐离率确定采动工作面“三带”顶界面发育高度

采动工作面对上覆岩层的影响范围直接关系到煤矿的安全生产,为了准确测定回采工作面"三带"顶界面发育高度,采用井下钻孔电阻率法探测了回采工作面不同时刻不同深度的视电阻率值,探讨了不同采动位置与基准位置的视电阻率差值断面图,分析了"三带"发育的的岐离率曲线,确定了各带的顶界面发育高度,并与双端封堵分段注水法推导公式计算结果进行了比较。结果表明:钻孔电阻率法对井下复杂环境的干扰抵抗能力强,与煤岩层耦合性很好,采用视电阻率差值确定的"三带"顶界面发育高度精度较高;由岐离率曲线确定的冒落带顶界面发育高度为29.6 m,裂隙带顶界面发育高度为47.8 m,弯曲带顶界面发育高度为71 m,其结果与双端封堵分段注水探测结果相近,岐离率可明显区分"三带"的分界面,提高了"三带"顶界面发育高度探测的分辨率,具有较高的推广实用价值。     

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。     

综放工作面覆岩破坏规律的观测研究

综放覆岩破坏规律,特别是近松散层开采区的实测数据现在还很少。兖州杨村煤矿采用瞬变电磁法对同一工作面的岩柱厚度大于69m的深部开采区和岩柱厚度28~69m的浅部开采区分别进行了采后覆岩破坏两带高度探测,探测结果表明浅部裂缝带高度比深部降低17%~27%,冒落带高度变化不明显。      

利用钻探手段确定煤层采空区“两带”高度

煤层开采中覆岩破坏高度的观测是煤矿安全开采合理留设防水煤柱的一项主要依据,利用钻探方法可以很清楚直观的判断煤层采空区冒落带、导水裂隙带的高度及发育特征,从而提供与以往探测结果进行分析的第一手资料,此方法操作简单,数据可靠,比较实用。     

裂高钻探中裂高界面的确定

水体下采煤防水煤柱尺寸主要是依据导水裂隙带高度（以下简称裂高）确定的,而裂高数据通常是采用钻孔简易水文观测法来获得。开采煤层的覆岩中,往往分布有透水性好的含水层、被疏干的含水层、封闭性局部采动裂隙等[上述三种情况统称为非冒落裂隙含(透)水层(带)]。钻孔到达裂高界面之前在上述层或带亦可能产生耗漏水和水位下降,以致对裂高界面位置的确定造成困难,甚至错误。因此,探求和掌握冒落裂隙的导水特征反其与非冒落裂隙的区别方法,是裂高钻探中一个十分重要的问题。      

综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析

确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留设以及瓦斯抽采设计提供依据。采用井下仰孔注水测渗漏法,实测山西西山煤田镇城底矿8煤导水裂缝带高度为57.98 m,其中冒落带高度16.72 m,裂隙带高度41.26 m。依据实测结果并收集了8个矿综采一次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度数据,利用数理统计回归分析的方法,得出了适用于综采一次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度计算的经验公式,并与《煤矿安全规程》中相应经验公式进行对比分析,结果表明,该公式适用性好,而《煤矿安全规程》中有关公式应用于中厚煤层综采一次采全高开采条件预测,其误差较大。      

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

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。      

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。     

黄河流域陕北煤炭开采区厚砂岩对覆岩采动裂隙发育的影响及采煤保水建议

煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因,也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件,其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此,在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上,选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2?2煤层顶板覆岩为地质原型,采用FLAC3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响,并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明:研究区2?2煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m,距2?2煤层平均间距76 m;厚砂岩距煤层30 m时,覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征,距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征,距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征;覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大;厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m,或H≥60 m、L>60 m时,可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩;在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响,选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治,实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。      

双系煤层开采相互影响下的覆岩运动与破坏规律分析

以大同矿区同忻煤矿为例,利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟,分析双系煤层开采形成的覆岩运动与破坏规律。研究结果表明：（1）石炭二叠系煤层工作面推进至193 m时,覆岩裂隙带发育高度达到最大为174.7 m;（2）物理探测得到3-5^#煤层开采引起的覆岩垮裂带高度约为180 m,综合理论计算与现场实测,确定覆岩裂隙带发育高度与采厚之比为11.7-12.0;（3）侏罗系煤层开采引起的底板破坏及双系间覆岩软弱夹层的缺失为双系煤层采空区联通进一步提供了条件;（4）侏罗系煤层的开采影响石炭二叠系煤层工作面超前支承压力的分布规律,当石炭系煤层工作面位于侏罗系煤层遗留煤柱下方时,超前支撑压力较无采空区时增大12.4%;（5）研究成果揭示了双系开采相互影响关系,为采取安全开采措施、减弱双系开采相互影响程度提供了科学依据。     

煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术

新建矿井应进行顶板"两带"实测。采用井下上仰钻孔注水测漏法、井-地联合微震监测法以及UDEC软件数值模拟,综合探查高家堡矿井首采面顶板导水裂缝带发育高度。利用这3种方法获得的工作面停采线附近的导水裂缝带高度数值基本一致,分别为88.03 m、86.54 m和87.00 m,与实际情况相符合。与地面钻孔冲洗液法或井下上仰钻孔注水测漏法探查结果结合起来,井-地联合微震监测具有突出优势,可实现煤层顶板覆岩破坏与变形的时-空动态四维监测,是研究顶板"两带"发育高度及其变化规律的重要方法。      

黄陇煤田综放采煤顶板导水裂缝带高度发育特征

为了研究黄陇煤田综采放顶煤（综放）采煤工艺条件下的导水裂缝带高度及其发育规律,系统收集区内各矿井实测数据资料,采用数理统计和回归分析方法研究导水裂缝带高度与工作面宽度、煤层埋深以及采高的相关关系。研究结果表明:工作面宽度小于240 m且煤层采高为8.5~9.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒大于中硬覆岩;工作面宽度大于90 m且煤层采高大于14.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒小于中硬覆岩。综放软弱顶板裂采比和导水裂缝带高度随采高增大均呈单峰状,裂采比是采高的二次函数,导水裂缝带高度是采高的三次函数。裂采比最大为30.63倍,拐点处采高3.56 m;导水裂缝带高度最大为239.97 m,拐点处采高10.41 m。由拐点向两侧采高分别减小或增大时,裂采比和导水裂缝带高度均逐渐减小。综放中硬顶板裂采比和导水裂缝带高度受工作面宽度和煤层采高的共同影响。在工作面宽度一定时,裂采比随着煤层采高增大而逐渐减小且变化幅度越来越小,大致趋于[11.00,14.30]数值区间;在煤层采高一定时,工作面宽度越大裂采比越大。导水裂缝带高度随着工作面宽度和煤层采高增大而增大。