工作面顶板动态离层水治理研究

2005年5月21日淮北矿业集团海孜煤矿745工作面发生了瞬时水量达3887m^3/h的特大溃水事故.经分析发现,此次溃水事故的水源来自7煤层顶板砂岩离层积水,是在复杂水文工程地质条件下,采煤工作面顶板产生的一种动态突水水源.针对离层突水的动力特点,在工作面回采影响以外的下山方向布置钻孔,并采取在工作面采前、采中和采后持续放水的措施,有效地阻止了离层水源的产生,保证了工作面安全生产.     

煤巷复合顶板结构对其稳定性影响试验

煤层巷道复合顶板结构较为复杂,其自身稳定性与岩性、岩层厚度、层数、岩层位置及层间黏结力等因素有关。基于简化的复合顶板组合梁结构力学理论,建立了简化的组合梁力学测试模型,通过不同试验分析复合顶板结构特征对其稳定性的影响,其目的是为复合顶板稳定性分类及控制提供科学依据。研究结果表明：煤巷复合顶板厚度不变时,其自身稳定性随岩层强度提高、硬岩层厚度增加、硬厚岩层到煤层距离的减小及层间黏结力的增大而提高,随分层数的增多而降低,当层数达到4层及以上时,顶板稳定性受其层数变化的影响变小。各因素的影响程度由大到小依次：岩性 > 岩层厚度 > 层数 > 岩层位置 > 层间黏结力;强度低、厚度小的软弱薄夹层较其他岩层更易产生应力集中,且破坏早于其他岩层。     

软岩巷道锚网索联合支护设计及支护效果分析

软岩巷道围岩松散破碎承载力低,在工程荷载作用下,具有明显的塑性变形和强流变性。传统单一的支护手段难以保证其安全和稳定。高家梁煤矿2-2上煤层巷道是典型的软岩巷道,其围岩遇水泥化、膨胀、崩解,进而造成巷道出现断面收缩、片帮、冒顶等失稳现象。针对高家梁煤矿2-2上煤层20110综采工作面回风顺槽的软岩问题,结合该巷道具体工程地质条件及围岩物理力学特性设计出锚网索联合支护的方案。通过FLAC3D数值模拟分析及现场巷道围岩表面位移监测,对该方案的支护效果进行了分析,其结果证明了该联合支护方案可以有效的控制膨胀型软岩巷道的稳定性,从而保证了煤矿的安全生产。     

坚硬顶板采场采空区岩层离层遥测研究

利用梁弯曲理论,根据岩层间变形不协调性关系,建立了坚硬顶板离层的判别条件,并指出了相应参数对顶板变形的相对影响程度。采用遥测技术监测坚硬顶板采场采空区岩层离层,结果表明,遥测系统可以有效采集到顶板岩层离层发育信息,通过监测曲线的分析,能够确定采空区顶板产生离层的位置,进而可预测出顶板垮落厚度。利用遥测系统采集到采空区顶板失稳前的离层信息,及时采取相应的措施,可保证坚硬顶板煤层安全开采。     

铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治

陕西铜川玉华煤矿一盘区1418工作面,回采期间发生多次突水事故,对煤矿的正常生产和人员的生命安全构成严重威胁。从本井田地质和水文地质资料入手,分析了工作面突水的背景、水源、通道等,得出洛河组下段砂岩裂隙含水层水为离层空间充水的主要水源,煤层采动后形成的导水裂隙带为主要的导水通道。通过理论分析和模拟研究覆岩移动破坏规律,分析确定导水裂隙带发育过程和离层空间可能发育的位置,离层水形成、发展及突水过程,从而总结出玉华井田1418工作面顶板离层水突水机理,为矿井后期实现安全高效生产提出切实有效的防治水措施打好基础。     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

深部软岩巷道锚网索耦合支护非线性设计方法研究

由于深部软岩巷道工程岩体介质已进入到塑性大变形阶段,其破坏主要是由于支护体与围岩之间的不耦合造成的,因此提出了锚网索耦合支护非线性设计方法。与传统的线性参数设计不同,该方法在变形设计的基础上,针对最佳耦合过程进行强度设计,提出锚网索耦合支护参数,并在施工过程中通过反馈设计进行修正。与新奥法不同,采用该设计方法进行锚网索耦合支护既能充分发挥锚网主动支护浅部围岩的能力,又能通过锚索调动深部围岩强度的支护能力,从而可以实现软岩巷道支护体与围岩在强度上、刚度上和结构上的耦合,保证软岩巷道围岩的稳定性。     

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。     

煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响

中国煤矿开采条件复杂,煤层顶板多为分层性强的复合顶板,含有软弱夹层时采用锚杆支护技术难度大、安全可靠性低。根据煤巷顶板软弱夹层和锚固区的相对位置,采用物理模拟方法研究了三种软弱夹层层位条件下顶板的采动失稳特征和破坏型式,提出了包括锚杆支护承载性能强化、巷道破裂围岩体强度强化和围岩承载结构强化的巷道围岩强化控制原理;在应用安全因子AQ对顶板安全可靠性进行分级评估基础上,给出对应于不同顶板软弱夹层层位的煤巷分级强化控制对策。研究成果已在安徽两淮矿区煤巷工程实践中成功推广应用35×104 m。     

松软煤层复合顶板条件下大跨度切眼支护技术研究

为了研究松软煤层复合顶板条件下大跨度切眼支护技术难题,采用数值模拟、理论分析、现场监测方法,分析了切眼巷道变形、位移、破坏特征,确定了围岩类别和支护参数,提出了左旋螺纹钢锚杆+金属网+金属梁+锚索的联合支护技术。研究表明：无支护条件下切眼巷道围岩出现\     

淮北芦岭煤矿煤层顶板水平井煤层气抽采效果分析

淮北芦岭煤矿为高瓦斯突出矿井,煤层碎软低渗,瓦斯抽采困难。应用“十二五”期间开发的紧邻煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采技术,试验井已取得产气突破。为了深入分析评价地面煤层气抽采对煤矿瓦斯灾害的防治效果,基于目标煤层特征,分析煤层顶板水平井的产气规律,利用产能数值模拟技术,对生产井数据进行了历史拟合,在此基础上,进行水平井产能预测,分析水平井抽采过程中煤层气含量和储层压力变化趋势。结果表明：水平井抽采影响范围主要为裂缝和近井筒区域,井筒-裂缝系统外部区域受影响较小;水平井影响范围随抽采时间的延长逐渐增大,预测1、3、5、8、10 a的影响面积分别为0.113、0.193、0.242、0.311、0.350 km²;随着水平井抽采时间的延长,剩余含气量和储层压力逐渐降低,预测水平井抽采5 a,水平井控制范围内瓦斯含量最低可降至2.86 m³/t,平均可降至4.2 m³/t,降低50.6%。储层压力最低可降至0.85 MPa,平均可降至2.30 MPa,降低66.2%。煤层顶板水平井技术对煤层气开发和瓦斯灾害防治效果显著,是实现碎软低渗煤层瓦斯地面预抽的有效手段。     

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

基于断裂力学的特厚煤层综放开采顶板破断规律研究

针对特厚煤层综放开采过程中矿压显现剧烈支架工作阻力难以确定的问题,结合特厚煤层工作面顶板岩层破断形成的悬臂梁-砌体梁力学结构模型。工作面来压阶段支架工作阻力不足时,引起砌体梁结构下沉使悬臂梁结构回转变形破断,造成上覆砌体梁结构滑落失稳压架使工作面矿压显现剧烈的特点,建立了含中心斜裂纹的悬臂梁结构破断的力学模型,应用断裂力学理论,分析了悬臂梁破断失稳的影响因素,推导了支架荷载的表达式。结果表明：裂纹倾角和长度是悬臂梁破断失稳的主要影响因素;支架荷载除与悬臂梁自身因素有关外,还与砌体梁垮落步距等因素相关。结合塔山煤矿8102综采工作面地质条件,计算了支架荷载的理论值,验证了理论分析的合理性。理论研究成果对于分析特厚煤层开采时的支架荷载的大小,合理选择支架减少顶板事故具有一定的工程实际意义。     

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。     

高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律

为了研究高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律,以安徽淮北五沟煤矿1031工作面为研究区域,基于Landsat-8遥感数据解译结果,总结了2013-2017年1031工作面上方地表积水范围演化规律,分析净降水量、地下水埋深、工作面推进距离等因素对积水范围演化的影响,并提出积水边界角的概念,建立了积水边界角随采动时间变化的函数关系式。研究发现：高潜水位采煤沉陷区地表积水演化分为4个阶段：未形成期、同步增长期、残余增长期、相对稳定期;在同步增长期和残余增长期,工作面推进距离、净降水量与积水面积日增长量呈正相关,地下水埋深与积水面积日增长量呈负相关;工作面推进距离是积水范围演化的关键影响因素,在工作面推进距离为476 m左右时,地表产生积水,工作面停采后5个月左右,积水面积趋于稳定;积水边界角先呈减小趋势,再趋于稳定,在同步增长期和残余增长期,积水边界角总体呈减小趋势,但受气象、地下水埋深等因素影响而波动;相对稳定期,积水边界角整体趋于90°。本研究为高潜水位采煤沉陷积水区土地利用规划、土地复垦、水陆复合生态系统建立等提供理论依据。     

基于遥感的木里煤矿区矿山地质环境监测及评价

为揭示木里煤矿开采对生态环境的破坏程度,通过2010年和2013年2期高分辨遥感影像监测,野外调查和水土样品采集,开展了矿山地质环境问题和承载力的调查,查明了问题并对其破坏程度和承载能力进行了评价。结果表明,矿区地形地貌景观和土地资源占压与破坏严重,河水受到Cu、Pb、Cr和Zn的污染,土壤受到Cd、As污染,高山草甸和沼泽地破坏及退化现象严重,冻土含水层结构遭到破坏,地质环境承载力适中。评价结果可为政府和矿山企业开展矿山地质环境恢复治理提供基础资料。     

采煤活动对唐山城市建设场地稳定性的影响分析

通过InSAR地表变形监测技术和数学模型理论计算,采空塌后期场区地基土的稳定性主要取决于采空区顶部的土体而不是岩体。城市规划区内局部有5层可采煤层,尤其是-200m以下的煤层停采在20世纪70年代以前,已完全塌落、压密、再造。而塌后期的土体底部粘土隔水层被拉裂,在双层水位作用下发生潜蚀形成土洞造成地面不均匀沉陷,影响城市建设场地的稳定性。     

焉耆盆地煤系源岩特征、生烃机理及烃源岩倾向性研究

焉耆盆地位于南天山造山带东部,是在华力西期褶皱基底上形成的中新生代含煤沉积盆地.作为西部地区一个小型的侏罗纪含油气盆地,焉耆盆地除与周缘的塔里木、吐哈盆地有相似性外,亦有自己独特的地质条件,即:改造型盆地、煤系生烃和高地温梯度.通过研究认为,煤系源岩特征是决定生烃能力的内因,高地温梯度则是促使油气生成的外因.笔者通过现今地温的测量和岩石热导率的分析,认为焉耆盆地博湖坳陷现今地温梯度较高,其原因主要是该盆地大地热流值较高,认为地温梯度高的原因来自地内深处.从侏罗系煤系源岩的类型、特征、分布,到对其有机显微组分:镜质组、惰性组、壳质组、腐泥组的组成,开展了侏罗纪煤系烃源岩倾气倾油性评价;尤其是进行热压模拟实验,开展中下侏罗统煤岩、碳质泥岩和煤系泥岩热压模拟液态烃、气态烃产率分析.指出侏罗系煤系源岩液态产烃率以煤岩为最高、泥岩次之、碳质泥岩最差;气态产烃率则以泥岩为最高、煤岩次之、碳质泥岩最差.