Geological and geotechnical aspects of underground coal mining methods within Australia

About one quarter of the coal produced in Australia is by underground mining methods. The most commonly used underground coal mining methods in Australia are longwall, and room and pillar. This paper provides a detailed review of the two methods, including their advantages and disadvantages, the major geotechnical and operational issues, and the factors that need to be considered regarding their choice, including the varying geological and geotechnical conditions suited to a particular method. Factors and issues such as capital cost, productivity, recovery, versatility and mine safety associated with the two methods are discussed and compared. The major advantages of the longwall mining method include its suitability for mining at greater depth, higher recovery, and higher production rate compared to room and pillar. The main disadvantages of the room and pillar method are the higher risks of roof and pillar collapse, higher capital costs incurred as well as lower recovery rate.     

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。     

Causes, mechanism and environmental impacts of instabilities at Himmetoğlu coal mine and possible remedial measures

 Since the commencement of mining at the Himmetoğlu coal mine, northwest Turkey, serious stability problems have led to interruptions in mining and some environmental effects. A geotechnical investigation was initiated in 1997 and the significant factors that influence the stability have been defined. This paper outlines the results of the field and laboratory studies associated with the causes and mechanism of the slope instabilities and their environmental impacts. The possible remedial measures to improve the stability and to minimize the environmental problems are also described. Back-analyses and data from long-term monitoring indicate that the failures occur along two or three planar surfaces by combination of faults and localized strata steepening adjacent to the faults. The stability is sensitive to changes in length of the lower part of the basal sliding surface and shear strength of the bedding surfaces in the overburden. Suitable remedial measures include slope flattening (i.e. staged bench stripping), proper drainage and spreading of a rock blanket on the pit floor to increase spoil pile stability. Received: 18 April 2000 · Accepted: 15 August 2000     

关闭煤矿工业广场再开发策略研究

随着我国煤炭去产能政策的有力实施,一批资源枯竭及产能落后矿井陆续关停废弃,传统的独立工矿区因此沉寂,服务于煤炭生产和职工生活的工业广场面临功能丧失、土地闲置等问题。挖掘关闭煤矿工业广场的价值并赋予其新功能,是盘活存量资源、激发独立工矿区活力的关键。以山西省晋城市关闭煤矿凤凰山矿为例,研究该矿与晋城市的发展演变及其相互作用;分析关闭煤矿工业广场空间构成要素,采用层次分析法(AHP)进行价值评估,判明主要空间要素的价值特征与更新挑战;进而探索关闭煤矿工业广场的再开发城市设计策略。分析认为,山地矿业风貌与绿色生态本底是凤凰山矿的核心价值表征,应将风貌存续与生态保育作为再开发重点。关闭煤矿需确立“矿退城进”的更新目标,主动与城市产业对接,由“封闭的工业广场”转变为“开放的城市街区”。在此基础上,提出景观引导下的秩序控制、功能空间的整合与重置、交通体系的外通与内融、矿业文脉特色的延续与塑造、既有建筑的再循环改造5个方面的城市设计策略。研究表明,通过基础设施景观化改造,可在提升矿区环境质量的同时创造城市特色;借鉴城市设计思维可为关闭煤矿保护性再开发策略的制定提供帮助,在此类资源型地区的城市更新中具有应用前景。      

煤炭绿色开发地质保障体系的构建

煤炭资源的大规模、高强度开采诱发了煤矿区地质条件和生态环境的损害,开展煤炭开采引起的地质结构–地下水环境–生态环境动态演化的耦合机制研究,发展煤炭绿色开发地质保障理论和技术,对于推动我国煤炭工业高质量发展有重要意义。结合当前煤炭开采技术,分析了煤炭绿色开发地质保障的研究现状,提出了“煤炭绿色开发地质保障体系”的科学内涵。主要包括:(1)开采前煤炭赋存综合地质条件勘查、评价,开采区生态环境类型划分:通过三维地质结构、水文地质条件、岩土工程性质和生态环境等系统调查分析,阐明煤炭开采区损害类型及其主控因素。(2)煤炭采动作用下地质条件变化与地质结构功能系统演化:阐明煤炭开采条件下覆岩变形特征及地质条件响应模式和损害机理,揭示开采过程中应力场、变形场、渗流场等多场耦合作用下生态环境的时空演化特征和损害规律。(3)采后煤炭绿色地质保障技术与生态环境功能重建:研究采后覆岩结构、地质结构功能、生态环境的相互作用,提出采空区与遗留资源的利用途径,恢复煤炭开采区生态环境功能。基于精准勘查与监测,创建含地层结构、水文地质结构和岩体力学性质等信息的数据库,建立煤炭开采地质结构演化动态模型,构建生态脆弱区煤炭...     

巷道断面空间岩层变形与破坏演化特征光纤监测研究

煤层开采过程中巷道围岩会发生变形、移动与破坏,其动态变化特征对巷道设计、支护等技术参数的选择具有重要的参考意义。论文结合淮南矿区某工作面回采进程,在煤巷中布设测试断面,通过钻孔布置分布式光纤传感器,对煤岩层变形与破坏过程中产生的应变参数进行实测与分析,讨论断面空间岩层变形发育规律及其采动影响特征。井下2个监测钻孔的16组监测数据分析结果表明:工作面回采过程中,底板岩层受采动影响发生变形产生位移特征明显,且受岩层界面控制,变形位置多自层面开始逐渐发育,探查区底板岩层破坏的最大深度达14.1 m,与电阻率CT结果基本一致,且超前应力显现明显,整体监测效果良好。认为分布式光纤测试技术可精确分辨采动作用下岩层的变形演化过程,有利于研究不同条件下岩层受力后发生变形及破裂的规律。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。     

断层构造对煤层底板突水的影响分析

在原岩应力、地质构造、地下水等因素基础上,从应力场和渗流场共同作用的角度出发,研究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏。研究结果表明,随着工作面向前推进,底板岩层的破坏深度和范围逐渐增加,底板岩层中水平应力低于承压水压力的深度也逐步增大。随着开挖接近断层,断层对应力分布情况的影响越来越明显,最终在断层处造成突水。为了预防底板突水的发生,合理留设防水煤岩柱是必要的工程措施。     

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。     

FRP锚杆在岩土锚固中的研究进展

纤维增强复合材料（FRP）锚杆较传统锚杆具有耐腐蚀性强、轻质高强等特点,近年来在岩土锚固领域颇受青睐,代表了未来岩土锚固材料的发展方向,但其研究成果较为零散。材料力学性能研究表明,FRP具有抗拉强度高、长期性能和疲劳性能优良等优点,但存在抗弯和抗剪性能较差、脆性破坏特征显著的缺陷,在岩土锚固设计中需特别考虑;归纳分析了FRP锚固体系的破坏模式,指出锚固体系的失效通常是由多种破坏模式耦合作用的结果;总结FRP锚杆与基体介质界面黏结性能的影响因素、界面黏结强度模型和界面黏结-滑移关系,并探讨了界面剪应力分布规律;最后列举了国内外FRP锚杆的工程应用实例并指出FRP锚杆进一步的研究方向。     

综合电参数在采煤地区拟建城市区地质结构识别及其评价研究

贵州黔西北地区煤矿资源丰富,因由于煤矿开采导致城市地下地质结构变化而引发安全问题。城市地下空间是城市未来发展的重要增长极,拟建城市规划区地下空间地质结构的识别及评价工作极为重要。文中提出基于电场理论、采空区氧化还原环境及煤区地质规律,综合电阻率、电流、自然电位等多个电参数对采煤区拟建城市区地质结构快速识别的方法,并对强风化层、老窑采空区、煤矿采空区等地质结构特征进行评价,取得成果与实地踏勘、已有工程一致,可为城区建设场地地质灾害危险性评价和地下空间开发利用提供重要依据。该方法具有无损、高效、绿色、低成本等优势,值得进一步研究推广。     

潘安湖区域发展演变特征及驱动因素研究

煤炭资源开采活动直接或间接影响城市的发展演变及其特征,明确其背后动因机制有利于城市的可持续发展.徐州市贾汪区原为重要的煤炭生产基地,潘安湖区域则为贾汪煤炭生产的主要区域.以潘安湖区域为研究对象,分析在煤炭开采活动影响下,其发展演变特征,并选取社会环境、经济发展、政策管控、资源环境为影响该区域发展演变的驱动力因子,运用主...     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。     

宣东矿区下花园组岩矿、煤岩及孢粉组合特征

河北宣东矿区含煤地层为中侏罗统下花园组,含有5个煤组,煤层多,标志层不发育,煤层对比较为困难。钻孔岩、煤心样品的岩矿、煤岩鉴定和孢粉分析等成果资料揭示:①长石砂岩主要赋存于Ⅲ煤组岩段及其以上地层,Ⅴ煤组岩段分布极少;安山岩屑砂岩集中分布在Ⅴ煤组顶底板附近,Ⅲ煤组岩段及其以上岩段未见;泥化安山岩屑砂岩仅分布在Ⅴ煤组岩段的下部;石英砂岩分布在Ⅴ煤组岩段底部与煤系基底地层接触处;鲕状粘土岩仅分布于Ⅴ煤组岩段下部,并常为煤组底板。②Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煤组显微煤岩类型以微镜煤、微亮煤为主;Ⅳ、Ⅴ煤组多为角质微亮煤、微亮暗煤及丝炭微暗煤。③Ⅰ、Ⅱ煤组的裸子植物花粉含量丰富,占孢粉总数的40%～60%;Ⅲ煤组低于Ⅰ、Ⅱ煤组;Ⅴ煤组除克拉梭粉及苏铁粉含量占15%左右外,其它松科花粉少见。该结论可作为矿区岩、煤组(层)划分和对比的依据,对指导煤矿开采生产和邻区的勘查工作具有实际意义。     

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。     

淮南煤田口孜集勘查区深部煤层顶、底板工程地质特征研究

口孜集勘查区矿井目前正处于开发阶段,深部煤层顶、底板的稳定性对煤层开采方法具有很大的影响。在分析煤层顶、底板岩性在平面上变化规律的基础上,结合岩石物理力学性质,对影响煤层顶底板稳定性的因素进行了研究。依据本区顶板岩石的单轴抗压强度,结合钻孔工程地质编录RQD值和煤层开采的采高比,对主采煤层进行了工程地质分类,其中13-1煤层顶板在东北部及中部以周期来压顶板为主,而8煤在东南及西北部也以周期来压为主。另外,对该区深部开采的工程地质问题进行了预测,根据预测结果提出了相应的预防措施。     

Advanced techniques in site characterization and mining hazard detection for the underground coal industry

Today's highly productive coal mining systems represent large capital investments. Careful geotechnical planning and design are essential to protect these systems and to help ensure their overall success. Too often, however, the ability of the mine operator to adequately characterize the geotechnical environment and keep up with changing geologic conditions lags the advance rate of the mining equipment. Seismic tomographic imaging, based on the same principles as medical Computer-Aided-Tomography (CAT) Scans, offers the ability to identify changing geologic conditions, loading patterns, and the location of nearby abandoned mine workings. Although seismic tomography has been used for many years in the oil industry, until recently its practicality in the mining industry has been limited because the processes involved interfered with mining productivity and were labor-intensive in terms of data collection and interpretation. New advancements in signal processing have greatly enhanced the speed, resolution, and range of applications of tomographic imaging in underground coal mine settings.Many tomography applications in the mining industry use seismic velocity and/or attenuation tomography within a volume enclosed by the seismic source and receiver array. Although results obtained using this geometry work well in many situations, recent developments in reflection tomography show promise in eliminating the requirement that the target volume be surrounded by sources/receivers. For example, in-seam seismic reflection tomography may now be used to image structures and/or old workings from one general location in the mine (e.g., face areas of mains and panel developments) well ahead of planned developments—largely eliminating the need to probe-hole drill on regular intervals. These new developments have greatly expanded the ability of the mine operator to cost-effectively characterize previously inaccessible areas of the property.This paper gives an overview of the theories and processes involved in seismic tomography applicable to coal mine settings. Recent examples are presented of tomographic imaging applied to a variety of coal mine ground control problems and old works detection in the United States and Europe. The applicability of both seismic refraction and seismic reflection tomography is discussed.     

煤矸石山的危害及植被生态重建途径探讨

长期的采矿活动使煤矿区大量的煤矸石堆积形成煤矸石山,成为矿区环境污染和恶化的主要因素之一。煤矸石山对矿区造成的危害主要包括引发火灾、破坏矿区景观、污染环境、形成地质灾害等。提出了植被生态重建治理煤矸石山的措施,其主要技术手段包括煤矸石山立地条件分析、山地整形、基质改良、植物种类选择和栽培等。通过合理的规划设计,最终实现矸石山稳定的植被生态系统。     

江苏徐州市区地基土工程地质分区及岩土工程问题

通过对徐州市区多年实际勘测资料的分析,依据地形、地貌、地基土沉积年代、成因类型等组合特征将徐州市区划分为四个工程地质区;研究了不同工程地质区域内不同地基土的物理、力学等工程地质特征;阐述了四个区存在的主要岩土工程地质问题,据此对该区勘察设计及地基处理方案提出建议。     

山西阳泉矿区刘村采煤塌陷机理及数值模拟

选取山西阳泉矿区单煤层开采引发的强烈地面塌陷作为研究对象,在详细介绍刘村采煤塌陷所处地质环境背景及其发育变形特征的基础上,根据区域岩体工程地质特征,将其划分为12层岩组;运用关键层、复合关键层理论对采煤塌陷机理进行了分析,获取Hoek-Brown岩体力学参数;采用Flac5.0 Extrusion对刘村采煤塌陷坑进行了反演模拟。数值模拟反映各阶段采动裂缝在地表的发育分布情况并计算了最终沉降量,覆盖层裂缝自然修复周期为2个月,基岩裂缝自然修复周期为3个月;采动裂缝最终在平面上呈"θ"形,塌陷中心1和塌陷中心2最终沉降量分别达到4.5 m和4 m,塌陷面积是工作面面积的1.85倍。模拟结果与调查监测数据高度吻合,客观地反映了地表变形和深部覆岩塌陷的发展变化过程,为塌陷机理分析起到了帮助作用。该套岩体力学参数与模拟方法适用于阳泉矿区采煤塌陷精准预测。