Research and application of roadway backfill coal mining technology in western coal mining area

In China’s western coal mining area, the traditional room mining technology is facing coal pillar instability, mine earthquake, large-area roof subsidence in the goaf, surface subsidence, water and soil loss, vegetation deterioration, and other environmental problems. To solve the aforementioned problems and to improve coal recovery, the roadway backfill coal mining (RBCM) method was proposed as a solution and its technical principle and key equipment were presented in this paper. In addition, the microstructure and mechanical behavior (strain-stress relation in confined compressive test) of aeolian sand and loess backfill materials were studied for a rational backfill design for underground mines. Further, coal pillar stress, plastic zone change, and surface deformation of the RBCM schemes were studied using the FLAC^3D numerical simulation software, and a reasonable mining scheme of “mining 7 m and leaving 3 m” was determined. The engineering application in Changxing Coal Mine shows that the RBCM method with loess and aeolian sand as backfill materials allows a stable recovery of coal pillars with a recovery ratio of more than 70 %. The maximum accumulated surface subsidence and the maximum horizontal deformation were measured to be 15 mm and 0.8 mm/m respectively, indicating that the targeted backfilling effect can help protect the environment and also control surface subsidence.     

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。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

彬长矿区复合煤层联合开采区涌水特征

针对陕西彬长矿区复合煤层联合开采工作面的涌水异常,通过总结涌水特征,找出了涌水与地层、地质构造、地层压力等之间的联系,并从涌水水源、导水通道、涌水机理3个方面分析了涌水异常的原因。分析认为,受开采强度和安定组地层因素影响,洛河组已成为煤层开采的直接或间接充水含水层;褶曲构造产生的大倾角地层利于导水裂隙带发育,是形成密集出水区段条带特征的直接原因;区域地层具备产生离层水的条件,而特殊的煤层组合关系及开采顺序是造成工作面涌水峰值巨大的主要原因。     

彬长矿区蒋家河煤矿地质控煤特征及开采条件

利用地质勘探资料和生产过程中采集的实际数据,系统分析了彬长矿区南缘地质构造发育类型及平面分布特征、含煤地层及基底古地形的发育特点、煤层的时间和空间特点及矿区构造特征。研究认为：彬长矿区南缘蒋家河井田自三叠系以来经历了3个阶段的构造演化,演化历史与鄂尔多斯盆地构造演化基本同步;主采4号煤层受三叠系基底古地形、侏罗系河-湖相沉积环境及区域构造等因素影响,厚煤区位于彬县背斜以南和赵坡向斜的轴部;彬长矿区南缘主采的4号煤层资源丰富、煤质优良、开采条件良好,具有很好的开采价值和经济效益,针对瓦斯超限、淋水底板鼓起等问题,采取措施后可以实现安全开采。     

铁法矿区煤层冲刷带研究

论述了铁法矿区冲刷带发育的地质背景;指出比较常见和对煤层破坏程度较严重的冲刷带成因类型是同沉积河道冲刷带、沉积后河道冲刷带和继承性河道冲刷带,并阐明了它们的识别特征。在对铁法矿区煤系沉积相分析的基础上,利用煤层顶板砂体等厚图对大隆井田4#煤层中的冲刷带进行了预测;揭示了铁法矿区煤层冲刷带的总体分布规律。      

极软中厚煤层越界开采区老空水害防治技术

小煤窑越界开采是我国煤炭行业极为普遍的现象。由于越界开采范围、积水量等条件不明,老空水严重威胁着毗邻大型煤矿的安全采掘工作。为快速准确地探查小煤窑越界开采边界并预防老空水的威胁,运用地面定向钻孔轨迹可控、定位精确的特点,提出了以极软中厚煤层精准钻进、不同岩性钻井液配比和采空区井漏预防与封堵为主的极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术,并提出了越界开采区老空水害防治流程。以华北型煤田某煤矿Ⅲ63采区右翼为研究区,应用越界开采区老空水害防治技术体系,通过工程示范准确查明了越界开采边界与越界开采方向,为合理留设矿界防隔水煤柱提供依据。该方法的成功应用为同类矿井的老空水害防治提供了科学的技术,并且为地面顺层孔在探查越界开采边界与极软煤层抽取瓦斯等领域中的应用提供宝贵经验。      

胶结充填体压缩破坏前兆多参数表征

借助自主设计的由加载控制系统、应变采集系统、电阻同步采集系统以及红外成像系统等组成的多参数、同步监测系统,研究了充填体在单轴压缩过程中的应力-应变、电阻率以及温度变化规律,分析了充填体在破坏失稳应力-应变、电阻率以及热效应异常前兆特征,并对比了不同监测信息对同一事件破坏的敏感度和差异性。结果表明：充填体的电阻率和热红外信息时空演化进程与其压缩变形破坏整个过程基本相符,且具有明显的阶段性;在整个加载破坏过程中,观测到的电阻率前兆信息点要早于热红外前兆点、应力前兆点;与应力-应变、温度变化相比,电阻率变化规律具有明显的反对称性;电阻率变化规律能详细地表现充填体受压过程中每个阶段内部结构变化特征,而热红外信息则主要体现充填体塑性屈服前的表面结构温度演化特性。运用多参数评价充填体加载破坏前兆特征,能克服单纯考虑某一参数变化方法预警可信度低、错误率高的缺点。该方法是一种能全面、精准地掌握采场充填体稳定状态的有效方法。     

蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌水量变化特征

蒙陕接壤区侏罗系深埋煤层开采过程中,掌握不同阶段矿井涌水量变化规律,是保障煤矿安全的关键。从含水层发育特征、巷道掘进进尺、采空区半径等方面开展了相关研究,结果表明：蒙陕接壤区煤层顶板导水裂缝带范围内的3层复合含水层,富水性差异较大,分别对巷道掘进阶段和工作面回采阶段涌水量影响较大。煤矿建井阶段,矿井涌水量随着巷道掘进进尺增加而增加,但单位进尺涌水量变化不大,平均涌水量为0.008 32 m³/（h·m）。工作面回采前将钻孔水量降至5.0 m³/h以下,水压降至1.0 MPa左右,实现了顶板含水层静储量充分疏放目标。首采面和接续面回采阶段,矿井涌水量呈\     

榆神矿区最上可采煤层赋存规律及开采危害程度

为研究榆神矿区最上可采煤层赋存及开采对萨拉乌苏组含水层危害程度,依次分析了榆神矿区最上可采煤层赋存特征、最上可采煤层与上覆主要含（隔）水层空间分布规律及组合类型,基于基载比和采高的最上可采煤层覆岩导水裂隙带发育规律、煤层开采对萨拉乌苏组含水层危害程度,将榆神矿区开采受危害程度分为4类：自然保水区、保水采煤区（影响大区和影响小区）、采煤失水区及采煤无水区。结果表明：受构造及剥蚀作用影响,榆神矿区最上可采煤层及上覆基岩呈差异剥蚀,煤露头线从SE向NW呈阶梯状分布,最上可采煤层上覆基岩由NW到SE方向逐渐变薄。榆神矿区西部（三、四期）最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度小或没影响;榆神矿区东部（一、二期）最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度大。     

Numerical simulation on tendency mining fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth

In order to master the tendency mining-fracture-evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth in mining process, the 1221 working face in Zhao mine is selected as the engineering background and a mathematical model is established. The displacement variation, stress and strain of overlying strata and coal seams are simulated by using ANSYS software. In the mining process, the movement characteristics, displacement variation laws and fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth along inclination direction are discussed. Simulation results show that with the advance of working face, the fracture development of overlying strata and coal seams is larger and larger; the area of gob is gradually expanding and the transverse stress of overlying strata and coal seams is also expanding. Stress contour of overlying strata and coal seams at both ends of gob becomes denser and denser; the activity of the overlying strata and coal seams near the up-roadway side of the gob is violent. The pressure relief zone is formed in the upper part of the strata and the roof above the gob. Large inclination angle of coal seam results in larger supporting pressure in the underside of the gob and smaller supporting pressure in the upper side of the gob. Along the inclination direction of the working face, the pressure relief zone is mainly concentrated in the outlet roadway of the working face; the fracture development and strata separation are obvious, which offer good passage for gas flow and migration.     

深部强冲击地压易发矿区厚煤层开采解放层卸压效果数值模拟

为研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果。采用数值模拟方法,分析不开采解放层,开采下解放层,开采上、下解放层条件下,被解放层的应力变化情况及应力变化规律,计算开采下解放层后的合理卸压角,确定解放层平巷位置。模拟结果表明开采上、下解放层后,应力明显减小,但仍存在高应力区,易发生冲击地压,必要条件下应采用其它辅助卸压方式。证明了煤壁前方应力增加区域一般在煤壁前方8～25m。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有一定的现实意义。     

上行开采缓倾斜煤层群围岩稳定性分析

为了研究缓倾斜煤层群下覆煤层开采时层间岩层的破坏规律以及影响上覆煤层开采的安全因素,采用相似材料实验建立两槽缓倾斜煤层上行开采平台。观测下覆煤层开采过程中采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况,利用位移传感器采集到的上覆煤层下沉数据分析其整体稳定性并记录上覆煤层顶板周期来压步距。采用FLAC3D软件建立模型进行数值模拟对比验证分析,找出下覆煤层工作面推进距离与上覆岩层活动规律的关系以及采空区影响下上覆煤层的纵向位移。结果表明:下覆煤层顶板冒落岩梁排列整齐,碎胀系数小,无法完全填充采空区,使岩层上部产生离层和裂隙,冒落下来的岩梁发生折断并形成稳定结构,上行开采引起上覆岩层的纵向变形与破坏,产生大量采动裂隙,表现为上覆煤层发生台阶错动最终形成一个沉陷区域,周围岩层向区域中心倾斜,影响上覆煤层顶板稳定性。由相似材料实验与数值模拟得到上覆煤层监测点下沉情况对比现场具有较好的吻合性,验证了实验模拟的正确。所得结论也可为相关问题提供有益的借鉴与参考。     

重庆煤矿区瓦斯赋存特征及地质控制因素

突出了大区域构造背景下的瓦斯赋存分布特征及其控制因素研究。重庆煤矿区古今构造应力场具有继承性,煤系应力长期得不到松弛,形成含煤岩系的长期应力集中,十分利于瓦斯富集,致使煤与瓦斯突出主要发生在地质构造变动比较剧烈的应力集中区。含煤岩系沉积环境及构造应力场是控制重庆煤矿区瓦斯赋存的两大地质因素。龙潭组海湾-潮坪-沼泽/泥炭相沉积环境具有良好的封盖能力,瓦斯含量普遍较高;须家河组河流冲积平原、湖滨-三角洲沉积体系对瓦斯的封盖能力较弱,瓦斯含量普遍较低。厘定出南桐高突瓦斯带、华蓥山高突瓦斯带、永荣高瓦斯带、渝东南瓦斯带、渝东瓦斯带和大巴山高瓦斯带6个区域性瓦斯地质带。     

中国煤的燃烧变质作用与煤层自燃特征

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明：我国烧变岩主要分布于以昆仑山−秦岭−大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20 m³/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

     

软硬互层岩体采场底板的应力分布及破坏特征研究

考虑底板岩体分层特性,将采场底板视为弹性层状半无限平面体,采用传递矩阵法建立层状底板的应力计算模型。用Matlab编制了相应的计算程序,求解得到不同分层深度处的底板应力分布,根据Mohr-Coulomb准则判断底板塑性区分布。新建模型考虑了不同底板岩性及其组合条件,理论计算得到的底板破坏深度比传统方法更符合实际,建立不同的软硬互层采场底板模型,分析了岩体的软硬性质对采场底板应力分布和破坏特征的影响。研究结果表明,硬岩底板对支承压力具有降低和扩散作用,降低作用减小了底板深处应力,有效地抑制了采场底板破坏深度;扩散作用加大了下卧岩层的应力影响范围,导致下卧岩层破坏范围增加,软岩底板由于其承载能力弱,会加剧底板应力的集中程度,导致底板岩层的破坏深度和范围都大大增加。     

内蒙古二道岭矿区煤层含气性特征

通过对内蒙古二道岭矿区煤层含气量、含气质量、含气饱和度等含气性要素的分析,研究了该区煤层气的含气性特征。结果表明,二道岭矿区煤层含气量高,甲烷浓度高,含气饱和度高,具有良好的勘探开发前景