浅埋煤层覆岩结构稳定性数值模拟研究

以神东矿区大柳塔矿井1203综采工作面为例,运用适合分析岩层断裂和垮落的离散元数值模拟软件,建立了相应的数值分析模型,进行动态数值模拟计算。其结果揭示了浅埋煤层关键层结构变形破坏规律,给出了控制关键层切落失稳的开采高度为2 m,为神东矿区的保水开采和生态环境保护提供了重要的参考依据。     

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化.为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部...     

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究

以榆阳煤矿为研究基地,进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明,风积沙层底部为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高,含水率大,抗压、抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的黏土矿物含量低、具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性,并通过多因素拟合,确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采,为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。     

浅埋煤层过沟开采覆岩裂隙与地表裂缝演化规律数值模拟

浅埋煤层过沟开采在陕北矿区普遍存在,严重威胁着矿井安全生产和生态健康发展。覆岩采动裂隙及地表裂缝的发育是岩体微裂隙的延伸和扩展的结果,为更加系统地研究浅埋煤层过沟开采覆岩微裂隙的演化规律,以陕北安山井田125203工作面为背景,根据现场沟道剖面及钻孔资料,采用Particle Flow Code (PFC)数值模拟平台构建颗粒流数值采煤模型,模拟分析覆岩微裂隙的发育特征、数量变化规律和力链演化特征,揭示微裂隙的发育规律和地表裂缝发育机理。结果表明:浅埋煤层过沟开采过程中,覆岩微裂隙发育表现为“产生–延伸和扩展–聚合成群–贯通成缝”的动态演化过程;根据微裂隙的基本发育特征及分布规律,可将发育全程划分为非连续跳跃式、连续贯通式和横向扩展式3个微裂隙发育阶段;覆岩微裂隙数量随工作面推进距离的增大而增多,非连续跳跃式和连续贯通式发育阶段呈现指数增长特征,分别累计发育微裂隙547和2 867条,覆岩微裂隙逐渐发育至地表;横向扩展式发育阶段呈线性增长特征,累计发育微裂隙11 705条,微裂隙数量随岩层高度的增大而减小;覆岩力链演化过程中,强黏性力链的破坏致使微裂隙发育,局部产生应力集中,强黏性力链拱自下而上逐渐破坏并贯通至地表,导致微裂隙延伸发育至地表形成地裂缝,力链在未贯通岩层的微裂隙两侧和尖端及地表裂缝两侧形成强力链区,微裂隙处形成弱(无)力链区。该研究成果可为陕北矿区浅埋煤层过沟开采覆岩及地表损害防控提供理论指导。      

浅埋深、薄基岩、厚松散含水层下煤层综合机械化开采防治水技术应用

神东煤炭公司大柳塔矿12404工作面煤层埋深浅，上覆基岩薄、松散含水层厚，且地表有河流横过(工作面长度240m，推进度3900m，其中薄基岩富水段150m)，为了减少工作面搬家次数提高生产效益，采取了地面抽排水、井下泄放水及地面注浆固沙等有效的防治水措施，工作面安全通过了母河沟，该防治水方法的应用改变了以往类似情况进行留煤柱跳采的方法，取得了浅埋深薄基岩厚含水层下煤层综合机械化安全开采经验，比停产跳采节省搬家费用2400万元，获得了显著的经济效益。     

浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理研究

以神府矿区大柳塔煤矿1203综采工作面为例，建立了覆岩移动的有限元地质模型，探讨了浅埋近水平煤层采动条件下的岩移和塌陷的岩体应力位移变化，为合理设计开采方案、减少塌陷范围、保护生态环境提供科学依据。     

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。     

浅埋近水平煤层采动地面变形规律研究

以神府矿区大柳塔煤矿１２０３综采工作面为例,探讨了浅埋煤层开采过程中,地面下沉变形孤过程及有关参数,为地面建筑物的安全煤柱留设提供了依据。『     

浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及防治方法

陕北浅埋煤层大规模、高强度开采诱发了严重的地面塌陷,造成大面积土地损毁、水土流失和植被死亡,导致表生环境出现退化。为掌握浅埋煤层开采地面塌陷裂缝发育规律,明晰其机理,提出适宜的治理恢复措施,实现“煤?水?生态”的协调发展,以陕北张家峁井田和柠条塔井田为研究区,采用实地调查、模拟实验和理论分析相结合的方法开展了浅埋煤层开采地面塌陷规律及防治方法研究。结果表明:浅埋煤层开采地表裂缝呈“O”型展布,静态发育特征与采高和地形地貌呈正相关关系、与采深呈负相关关系,且同一工作面切眼附近地表裂缝发育程度最高、巷道次之、面内最低;地表裂缝具有“先开后(半)合”和“只开不合”2种活动特征,整体活动时间为4~9 d,活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度呈线性正相关关系,与稳定宽度呈线性和指数2种正相关关系;黄土沟壑区下坡段开采地表裂缝活动与表土块体的稳定性系数有关,而稳定系数与坡角呈负相关的一次幂函数,与主裂缝间距呈正相关的一次幂函数。上坡段开采坡体裂缝“先开后(半)合”活动受岩块倒转和坡体滑移双重控制,面内沟底裂缝“先开后合”的活动特征受关键岩层运移控制。研究提出了黄土沟壑区沟底贯通型裂缝“裂缝填充+沟道恢复”、坡体裂缝 “裂缝充填+微地形改造”的治理方法和风沙滩地塌陷区的“三圈”修复模式。研究成果在陕北安山煤矿和柠条塔煤矿进行了应用,效果良好。      

浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究

以陕北榆树湾井田为地质原型,采用柔性隔水层物理相似模拟试验,初步得出了该井田顶板岩层及粘土隔水层在开采影响下的破坏规律,发现顶板基岩关键层仍然是隔水层稳定性控制的关键,指出隔水层下沉梯度T_S为控制隔水层导水裂隙出现的指标。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害控制研究

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制,补充了基岩老顶破断后控制岩块滑落失稳的充分条件和岩块触矸前后台阶下沉的判据,确定了台阶下沉量,给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例。研究发现,顶板破断后岩块处于不平衡状态,台阶下沉的机制是结构的滑落失稳;岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系;顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据顶板结构的赋存状况和结构特征,确定基岩老顶触矸前是否会出现全厚度切落;根据工作面的开采高度和采空区有效充填厚度等,可确定基岩老顶触矸后岩块的运动形式;根据顶板的破断步距、断裂下沉量和岩块摩擦因数等,可确定岩块触矸前后控制台阶下沉的支护力     

榆神矿区首采煤层及上覆岩层工程地质特征

榆神矿区是陕北大型煤炭基地的重要组成部分,区内煤炭资源丰富。近年来,该矿区煤炭开发与生态环境、地质环境的矛盾日益突出。通过分析榆神矿区首采煤层分布、厚度、埋深及其上覆岩层的厚度和顶面形态,根据岩石成因、工程地质特征及物理力学性质,将该区岩(土)体划分为4个类型和7个岩组: 松散岩类(沙层组、土层组)、软岩类(风化岩组、煤岩组、烧变岩组)、较软岩类(粉砂岩与泥岩互层岩组)和较坚硬岩类(砂岩组),总结了各岩组的分布、厚度和物理力学特征。结果表明: 矿区煤层顶板多为中等—难冒落型顶板,局部地段属易冒落型顶板; 粉砂岩及细粒砂岩底板属稳定型底板,泥岩底板稳定性差。为指导矿区规划、环境评估及煤炭开发提供依据,对切实转变陕西煤炭发展方式、促进生态环境友好型矿山的发展具有积极意义。     

浅埋煤层非坚硬顶板强制放顶实验研究

以南梁煤矿地质资料为依据,通过对不同覆岩条件和不同强制放顶方案的相似材料模拟实验,证明整体性较好的顶板以强制放顶减小工作面初次来压步距是可行的,既可实现工作面连续推进,又可避免顶板大面积垮落带来的安全隐患。实验揭示了地表厚粘土层浅埋煤层单体支柱工作面开采时,顶板活动及矿山压力显现规律;为南梁煤矿单体支柱长壁工作面实现连续开采,提供了可靠依据。     

陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究

浅埋煤层上覆采空区水威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以陕北地区某煤矿为例,针对该类水害问题进行分析,通过经验公式、数值模拟等方法计算,开采3^-1号煤层产生的覆岩导水裂缝带高度至少为66 m,运用类比法及经验公式预计,矿井正常涌水量为163 m³/h,最大涌水量203 m³/h,3^-1号煤层上覆采空区积水量约为2.6×10⁶ m³。根据各计算结果,提出\     

煤层断裂的三维转动场分析——以阜新矿区王营井田为例

用板壳大变形理论转动角计算方法,对阜新矿区王营井田煤层大变形断裂和破裂带进行分析和预测。结果表明,地层大变形断裂转动分析结果与实际勘探结果基本吻合,拟合度较高。     

典型浅埋煤层长壁开采覆岩采动响应与控制研究

为了进一步完善典型浅埋煤层长壁开采覆岩运动与控制理论,以神东矿区22616工作面为工程背景,采用试验模拟、理论分析与现场应用相结合的方法,研究典型浅埋煤层长壁开采老顶破断特征及地表砂土层载荷传递效应,提出采场支架合理工作阻力计算方法,并成功应用于工程实践。研究结果表明:浅埋采场老顶滑落失稳瞬间,动载显现剧烈,覆岩台阶下沉明显,砂土柱间的摩擦作用导致地表砂土层载荷存在一定的传递效应,并非以其全部自重作用于基岩老顶。基于这一特性,引入岩柱法修正老顶结构经典力学模型参数,改进浅埋采场来压顶板支护力数学模型。理论计算采场初次来压控顶支架最大工作阻力为10 506.8 kN/架,周期来压控顶支架最大工作阻力为7 475.26 kN/架,均与现场观测数据较为吻合,采场ZY11000/24/50型液压支架刚好满足控顶要求,保障了工作面安全、高效开采,为典型浅埋煤层长壁开采工作面支架工作阻力确定及选型提供了重要参考。     

羊草沟矿区煤层赋存特征

通过对羊草沟矿区煤层的空间分布范围、厚度、结构、顶底板岩性及开采情况的研究,掌握了煤层、煤质的变化规律,针对矿山的开采情况提出了建议,对矿山建设和资源开发具有指导意义。