带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10~11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。      

大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试

针对邢东矿大采深的情况,利用现场底板注水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测试研究,依据单位注水量的动态变化以及注水孔与采线之间的距离关系,确定了底板破坏深度。试验结果表明:该工作面底板破坏深度为32.5~35m,比300m采深以内的工作面实测深度(9.15~12.0m)增加2倍以上,说明随着开采深度的增加,煤层底板采动破坏深度呈明显增大的趋势,因此,在水压和破坏深度二者同时增加的条件下,2121工作面深部煤层开采的突水危险性远远大于浅部煤层。测试结果为邢东矿大采深工作面的防治水方案的制订提供了科学依据。      

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析

针对孤岛工作面煤层开采底板损伤问题,以河北葛泉煤矿11913孤岛工作面为研究对象,采用微震方法分析其底板破坏深度;并通过数值模拟对首采、跳采及孤岛3种工作面回采过程中围岩采动应力与底板破坏的规律进行了对比分析。微震测试结果显示11913工作面回采过程中微震事件主要发生在下巷,识别出工作面最大破坏深度20~25 m;基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤岛3个工作面数值模拟结果显示,11912首采与11914跳采条件下煤柱地应力集中状态变化不大,最大破坏深度小于11.56 m,仅发育至工作面底板的注浆改造层内部;而11913孤岛回采条件下,受到重复采动影响,工作面两侧煤柱应力集中状态骤增,最大破坏深度剧增至23 m,已发育至煤层底板的本溪组灰岩含水层。研究结果对于华北型煤田下组煤层开采底板破坏规律分析与不同类型工作面回采条件下底板水害防治有一定的参考价值。      

矿山压力对底板破坏深度监测研究

目前肥城煤田6 1%的煤炭储量受底板奥陶系灰岩岩溶水威胁,采场底板破坏深度的监测是该煤田底板水害防治的重要内容,选择肥城煤田曹庄井田8煤层和9煤层开采作为监测对象,利用向底板岩层注水方法监测岩层破坏情况。利用专利产品“钻孔双端封堵测漏监测仪”,监测煤层采前的底板原始裂隙发育程度和采后矿山压力底板的破坏深度。监测结果表明,8煤层开采造成的底板破坏深度可达36.5m;9煤层开采底板破坏深度可达14.2m。      

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

底板注浆加固技术在河南汝州煤田朝川矿的应用

朝川矿断裂构造及裂隙发育,水文地质条件复杂。主采煤层二1煤底板隔水层薄、分布不稳定,再加上该区底板灰岩承压含水层富水性强、水头压力高、补给来源丰富,从而给煤层开采带来了一定的风险。针对矿区的水文地质特点,提出在受水害威胁严重且不适宜疏水降压的区域,采用底板注浆加固的方法实现矿井的安全开采,并对该矿在二1煤层井下巷道打钻成功,实现底板注浆加固,从而使含水层变为隔水层的实施过程进行了较为详细的介绍。结果表明,底板加固技术是预防煤矿突水的有效途径,具有极大的优越性和实用性。     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。     

Application of a BP neural network in predicting destroyed floor depth caused by underground pressure

Predicting the destroyed floor depth caused by the mining of coal seams is of great importance in judging whether the mining of a deep coal seam can be safely performed above a confined aquifer and to prevent the inrush of water from the floor. Thirty sets of coal mining data on destroyed floor depth were selected for study. A comprehensive analysis of the factors that influence the depth of destruction of coal seam floor strata was performed and combined with the ability of a BP neural network to address dynamic nonlinear information. Then, a set of test samples was assembled and used to construct a predictive model using a BP neural network. The model was then used to predict the destroyed floor depth of the 7105 working face of the Baizhuang Coal Mine in the Feicheng coal field. To verify the effectiveness of the model, the depth of the destroyed strata comprising the coal seam floor was measured using equipment called the “Double Sided Sealed Borehole Water Injection Device.” By comparing the predictions made by the BP neural network with actual measurements, the conclusion was reached that a BP neural network model can effectively be used to predict the destroyed floor depth caused by the mining of a coal seam.     

煤层底板承压含水体上带压开采研究

渭北煤田5、10号煤层底板以下的奥陶系灰岩强含水层,水头压力大,对采煤的威胁严重,历史上曾经发生多次底板突水事故,造成重大人员伤亡。以澄合矿区为例,研究了带压开采防治水的技术路线,提出了底板注浆加固的防治水方法,并成功应用于董家河煤矿,不仅安全开采了5号煤层,而且保护了渭北地区岩溶水的统一水位标高,使区内各岩溶大泉流量稳定、黄河湿地生态安全得以保证,促进了生物多样性和工农业用水安全,为渭北及华北型煤田底板承压水体上带压安全采煤找到了技术途径。     

准格尔煤田特厚煤层开采底板破坏特征综合测试研究

鄂尔多斯盆地准格尔煤田某矿石炭-二叠系6煤层为特厚煤层,平均可采厚度17.0 m,其底板受到灰岩水的威胁。针对这种情况,现场采用分布式光纤传感及跨孔电阻率CT原位综合测试技术,先后获得了采动过程中多个工作面底板破坏应变场及地电场响应特征数据。结合岩样加载变形破坏的判别阈值参数及探测实践,对采区内4个工作面底板测试数据进行综合分析,获得了区内底板岩层破坏空间特征及其规律认识。分析认为底板破坏在垂向上具有明显的分带性,采区工作面底板破坏深度在7.2~16.5 m,主要破坏层位在细砂岩以上层段,扰动影响最大深度在33 m左右,主要扰动层位在砂质泥岩以上层段;底板破坏在横向上具有超前性,超前距离在25~60 m范围;区内工作面底板破坏特征具有一定的相似性,动压影响下的底板损伤程度在空间上呈东北区域浅、西南区域深的分布规律。原位测试所获得的数据对区内6煤层水害防治及安全开采具有指导作用。      

杨庄煤矿六煤底板采动效应研究

根据杨庄煤矿的开采地质条件,分别建立了走向和倾向两类基本模型,应用数值模拟方法,模拟计算了工作面不同推进距离和不同切眼长度时,底板的破坏深度、范围及采动底板应力分布。数值模拟与现场应力测试及注水试验结果基本一致。对煤矿底板灰岩水的防治有一定的指导意义。     

Characteristic of water chemistry and hydrodynamics of deep karst and its influence on deep coal mining

The mining depth of main coal mines could reach around 600 m in eastern North China, and extends to the dept with speed of around 12 m/a. As the basement of eastern North China-type coal mine, the Ordovician karst aquifer is the main water source that influences the carboniferous coal seam mining. As the deep karst water has large buried depth and high water pressure (8–12 MPa), with10–30 m space between high pressure aquifer and coal seam, the geological area of deep coal occurrence is often forbidden for mining. Environmental damage, to a greater or lesser degree, is caused by coal mining. On the basis of analyzing the hydrogeological conditions of mining areas, this paper introduces the hydrogeological survey work of ultra-high confined karst water deep in the coal seam floor within researched region for preventing and controlling water disaster of the mine. After researching into the hydrogeological investigation data in the researched region, we explored the hydrodynamic and water chemical characteristics of deep karst water by using pumping test, dynamic observation, and dewatering test. Finally, this study suggests that the hydraulic pressure of deep mining could be mined, on the circumstances that reasonable and effective of water prevention measures are taken based on a detailed survey on water abundance of deep karst.     

基于高瓦斯煤层保护层开采的煤矿水害防治技术

晋煤集团赵庄矿3号煤层为高瓦斯煤层,瓦斯抽采难度大,存在煤与瓦斯突出的安全隐患,防治水方面还存在底板带压开采问题,严重制约了矿井安全高效生产。通过提出保护层开采方案,先期开采下伏8-1号薄煤层,释放3号煤层应力,增加煤层透气性,同时制定8-1号煤带压开采的防治水技术策略,最终实现了3号煤瓦斯安全疏放抽采,防治水工作顺利开展,对同时存在高瓦斯和承压水上采煤问题的类似矿井具有指导意义。      

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景,采用现场声波测试和数值模拟方法,对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m,数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m,两种方法结果较为一致。通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比,结果表明,采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。      

承压水上采煤安全性评价

承压水上采煤的关键问题是煤层底板是否能有效地阻止底板高压水突出。底板突水与否取决于多方面影响,其中最重要的是煤层底板条件。下三带理论为分析、评价底板抗突水能力提供了理论指导。依据“下三带”理论,探讨了承压水上采煤安全性评价的方法与技术。      

孔中瞬变电磁法在综放工作面底板破坏深度探测中的应用研究

鄂尔多斯盆地准格尔东部煤田石炭?二叠系 6 煤层为巨厚煤层,煤层底板面临奥陶纪灰岩含水层威胁尤为突出,由于采动效应的影响会形成底板采动破坏带,可能会形成新的导水通道引起突水灾害。针对底板采动破坏带测试问题,提出采用动源动接收的孔中瞬变电磁法,在采前和采后工作面底板钻孔中获取岩层电阻率特征数据的方法。首先通过数值模拟对比孔中瞬变电磁法在完整和二层岩层模型中呈现的电阻率差异性,验证该方法对二层岩层模型具有较好分辨率;然后在准格尔煤田酸刺沟煤矿6119巨厚煤层综放工作面进行试验,通过探查底板电性差异层得到底板破坏深度,经过验证结果准确可靠。研究表明:孔中瞬变电磁法探测技术与测试钻孔相结合,通过对比采前与采后结果获取了较为准确底板破坏深度,对类似条件下的工作面破坏深度测试提供了一种新的方法。      

关于突水系数的讨论

煤层底板突水在我国华北型煤田矿井采煤过程中经常发生。带压开采条件下,预测底板突水和评价突水危险程度的主要方法是突水系数法,但是关于突水系数计算、临界突水系数的确定等还存在一些值得讨论和研究的问题。在阐述带压开采和突水系数理论的基础上,给出了突水系数的各种计算公式及公式中有关参数确定方法,详细说明了临界突水系数的由来和应用条件,提出了计算突水系数的新公式。新公式不仅考虑了水压和隔水层厚度,而且考虑了底板破坏深度、导升高度和奥灰顶部隔水段等因素,为计算和统计分析确定突水系数新的临界值奠定了基础。      

底板导水裂隙带中含承压水裂隙的力学特性

华北煤田煤系地层的底部为含水丰富的奥陶系灰岩,该层灰岩与地表水系和煤系地层含水层存在着密切的水力联系。许多大型突水是采掘空间与含水层之间形成突水通道引起的。因此,分析开采工过程中底板岩体中含承压水裂隙的断裂力学特性具有重要意义。本文采用作者提出的数值方法分析了含高压水裂隙在开采过程中的断裂力学特性。假设裂隙面上作用着均匀水压力,考虑地应力的影响,采用断裂力学的叠加原理,分析了采煤工作面推进过程中含承压水裂隙的断裂力学特性,讨论了开采过程中底板承压水导升。结果表明:在工作面推进过程中,位于底板岩层且与含承压水岩层连通的裂隙,会在承压水水压力和扰动应力的共同作用下,产生破坏,导水裂隙带的高度会增加;这就增加了底板突水的危险性。     

Impacts of karst paleo-sinkholes on mining and environment in northern China

The karst paleo-sinkhole is a special geological structure widely found in the coal measures of northern China. Some paleo-sinkholes have high permeability and connectivity, making them excellent connectors between the karst aquifer and the coal seam. Consequently, during coal extraction disastrous water inrushes take place frequently, which cause severe loss not only in mine submersions and personnel casualties, but also in environmental quality. Locations and the geological and hydrogeological characteristics of paleo-sinkholes in northern China are presented. In-situ drilling and excavation results show that paleo-sinkholes have different hydrogeological behaviors in different regions and in different mines. Based on observed data, mining-induced strata failure in the seam floor is analyzed. The existence of paleo-sinkholes increases the floor strata failure zone. Numerical simulation then is adopted to model coal mining with the effects of both the paleo-sinkholes and the water pressure in the confined aquifer. Analyses of the simulation conclude that the paleo-sinkhole induces the increase in the strata failure and deformation. These make water inrushes more likely to happen.