基于量纲分析的非充分采动导水裂缝带高度预测

为准确预测非充分采动导水裂缝带高度,选取开采厚度M、煤层埋深H、工作面倾斜长度L、煤层倾角α、覆岩力学性质R、覆岩结构特征S为非充分采动导水裂缝带高度主要影响因素。采用量纲分析建立了导水裂缝带高度与M,H,L,α,S间的无量纲关系式。结合30组实测数据,采用多元回归得到无量纲关系式的最优函数关系式。选取2个非充分采动工作面导水裂缝带现场实例对预测模型进行了工程验证,预测模型预测结果与实测结果吻合良好,其相对误差分别为3.64%和2.93%,预测模型的预测精度可以满足煤矿安全生产现场需要。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型研究——以淮北煤田为例

煤层采动后形成的顶板导水裂隙带是沟通顶板充水含水层的主要通道之一,同时也是顶板水害防治需要重点研究的关键问题。近年来,西部矿区已成为我国煤炭资源主要开采区,其主采侏罗系含煤地层与东部石炭-二叠系有着明显差异,并具有典型的孔隙度高、胶结程度差等特征,顶板采动导水裂隙的演化特征也与东部矿区具有较大差异,相关的研究尚未形成普适性成果。因此,本文选取典型的弱胶结地区——新疆哈密大南湖矿区为例,采用UDEC数值模拟、现场三维钻孔电视成像等方法,并结合“S-R”稳定理论,以垮落带高度为自变量,建立砌体梁承载强度与垮落带高度关系式,全面揭示该区煤层开采过程中顶板的采动破坏过程与演化特征,并以此为依据确定顶板导水裂隙带的发育高度。在此基础上,通过收集侏罗系同类型煤矿导水裂隙带高度的实测数据,采用回归分析方法,拟合并修正现有经验公式。研究表明：研究区顶板导水裂隙带发育高度的范围是60.07~62 m,裂采比为17.67~18.24,整体形态呈“梯台”型特征,结合邻矿现场实测对比证实了此次实测结果的可靠性;开采范围内导水裂隙带发育高度受垮落带高度增量、岩块回转角变化的影响呈现：“快速增加-缓慢增加-逐渐稳定”的发展与演化规律;验证计算结果表明,论文提出的回归公式预测精度一般在10.30% ~17.25%之间,相较于传统经验公式平均误差降低了51.84%,显著提高了导水裂隙带高度的预测精度。论文的相关研究成果可为新疆地区相似开采条件下顶板导水裂隙带发育高度计算提供理论依据。     

煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术

新建矿井应进行顶板\     

Formation of fractured zones in overburden due to longwall mining

The fractured zones caused by mining were studied in the overburden of the Torezko-Snezhnyanskaya area, Ukraine, through the change in natural gas emission from these zones during longwall coal excavation. Zones of interconnected fractures and separate horizontal fractures were studied with vertical wells drilled from the ground surface down to active underground workings. The maximum heights of the zone of interconnected fractures and separate horizontal fractures may reach 19–41 and 53–92 times the thickness of the coal seam respectively. It was found that the ratio between the maximum height of the zone of interconnected fractures and the thickness of the extracted coal seam increases with the increasing number of rock layer interfaces and decreases with the increasing stiffness of immediate roof. It is shown that the growth of the zone of interconnected fractures occurred during 17–39 days at an average rate of 0.94–1.97 m day^?1 and it was accompanied by increasing methane emission from overburden. Observation shows that the formation of separate horizontal fractures began only 11–49.5 days after the height of the zone of interconnected fractures reached its maximum value. Formation of separate horizontal fractures in overburden over the longwall excavation occurred as a stepped process from lower to upper sandstone–sandy shale layer interfaces in the direction of the ground surface.     

基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征

导水裂隙带发育高度是矿井水害预测的重要技术参数之一。以彬长矿区文家坡煤矿4103工作面为研究对象,利用井-地联合微震监测技术对顶板导水裂隙带发育特征进行研究。研究结果表明：深埋煤层开采时,微震事件超前工作面回采位置发育,超前影响角最大为35°,最小为28°;断层的存在降低了覆岩稳定性,相较于正常基岩,更易在回采影响下发生应力集中和破坏;断层加大了微震事件发生的超前距,而采空区则使微震事件的高密度区向其所在部位发生偏移,加剧覆岩破坏程度,增大导水裂隙带发育高度;垂向上,4103工作面监测区内的微震事件高密度区域主要集中在高程+400~+520 m,结合微震事件数量和能量分布特征,判定4103工作面垮落带发育高度为50 m,垮采比13.16,导水裂隙带发育高度为117 m,裂采比为30.79。该成果可为彬长矿区类似煤矿深埋煤层顶板导水裂隙带发育高度研究及顶板水防治提供重要依据。移动阅读     

组合硬岩层顶板破断规律及导水裂隙带电法探测

为分析组合厚硬岩层顶板导水裂隙带发育高度,合理设计区段防水煤柱尺寸参数,文章利用并行电法测试技术探测了两关键层临近赋存顶板破坏特征及其破断规律,结果表明:两关键硬岩层呈现非同步破断特征,当下部关键层出现一个以上破断周期后,引起上部关键层破断;1622(3)工作面组合厚硬岩层顶板导水裂隙带发育高度50 m,为平均采高的12.8倍。研究结果为同类地质条件下采场围岩控制及防水煤柱尺寸设计提供指导依据。     

考虑覆岩原生裂隙的导水裂隙带模拟

导水裂隙带高度的确定对松散承压含水层下煤矿安全开采和矿区生态环境保护具有重要意义。以往根据塑性区判断导水裂隙带范围的数值模拟方法不能完全反映覆岩的破断机制。为了更准确地预测导水裂隙带发育高度,应用断裂力学方法,将裂纹尖端K场区内的应力强度因子断裂判据与摩尔-库伦屈服准则结合,提出了原生裂隙存在时的岩石断裂准则。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙场分布,并通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics将原生裂隙场和岩石断裂准则应用到导水裂隙带发育的数值模拟中,对淮北煤田青东煤矿的839工作面开采进行了模拟计算。结果显示,考虑原生裂隙时,导水裂隙带在贯通后高度达到92.5 m。与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟结果与现场测量结果更为接近。这说明,采用自仿射分形模型所生成的裂隙场可以较好地模拟岩体内复杂而无序的原生裂隙分布,且与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟方法能够更好地反映导水裂隙带的发育规律。     

黄陇煤田综放采煤顶板导水裂缝带高度发育特征

为了研究黄陇煤田综采放顶煤（综放）采煤工艺条件下的导水裂缝带高度及其发育规律,系统收集区内各矿井实测数据资料,采用数理统计和回归分析方法研究导水裂缝带高度与工作面宽度、煤层埋深以及采高的相关关系。研究结果表明：工作面宽度小于240 m且煤层采高为8.5~9.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒大于中硬覆岩;工作面宽度大于90 m且煤层采高大于14.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒小于中硬覆岩。综放软弱顶板裂采比和导水裂缝带高度随采高增大均呈单峰状,裂采比是采高的二次函数,导水裂缝带高度是采高的三次函数。裂采比最大为30.63倍,拐点处采高3.56 m;导水裂缝带高度最大为239.97 m,拐点处采高10.41 m。由拐点向两侧采高分别减小或增大时,裂采比和导水裂缝带高度均逐渐减小。综放中硬顶板裂采比和导水裂缝带高度受工作面宽度和煤层采高的共同影响。在工作面宽度一定时,裂采比随着煤层采高增大而逐渐减小且变化幅度越来越小,大致趋于[11.00,14.30]数值区间;在煤层采高一定时,工作面宽度越大裂采比越大。导水裂缝带高度随着工作面宽度和煤层采高增大而增大。     

Geostatistical coal quality control in longwall mining

The coal quality is an important aspect of coal mine planning. This paper presents a case study in which an underground coal mine is faced with severe penalty cost because it does not consider in situ coal quality control at all. To help short term planning of the coal production the mean calorific values of the blocks inside the production panels are estimated by kriging. The estimated calorific values are compared with those obtained from actual production. The ratio of the calorific values of actual production to estimated values is found to be 0.73 in average due to adverse effect of dilution on the quality of run-of-mine coal. This study reveals the importance of geostatistical block modelling in short term mine planning.     

基于覆岩破坏传递的导水裂缝带发育高度研究

采动影响下覆岩破坏及导水裂缝带高度对于水体下采煤、保水采煤等具有重要意义。分析了采动影响下覆岩破坏传递过程,并将其划分为传递发育阶段和终止阶段;通过理论分析建立了上覆岩层悬空完整和悬伸稳定力学模型,提出以极限悬空距和极限悬伸距为判据用于判断每层岩层破坏情况,得出了计算导水裂缝带高度理论新方法,并通过工程实例与实测值进行了对比分析。结果表明,基于覆岩破坏传递模型的导水裂缝带发育高度计算方法预计的导水裂缝带高度（158.8 m）与实测结果（150~170 m）吻合较好,验证了该理论方法的可行性。     

基于PSO-BP神经网络的导水裂隙带高度预测

导水裂隙带高度是西部矿区保水采煤的理论依据和关键参数。近年来,BP神经网络广泛应用于导水裂隙带高度预测,但BP神经网络存在收敛速度慢、易陷入局部极小等问题。为提高导水裂隙带高度预测的准确性,利用粒子群优化算法(PSO)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,建立基于PSO-BP神经网络的导水裂隙带高度预测模型。选择开采厚度、开采深度、工作面倾斜长度、煤层倾角、覆岩结构特征为导水裂隙带高度主要影响因素,选取22例导水裂隙带高度实测数据对PSO-BP神经网络进行训练,将训练后的PSO-BP神经网络对2例测试样本的预测结果与实际值进行对比,并与BP神经网络预测模型及经验公式预测结果进行对比。结果表明:PSO-BP神经网络预测模型的平均相对误差为1.55%;BP神经网络预测模型的平均相对误差为4.8%,经验公式的最小相对误差为9.4%,PSO-BP神经网络预测精度明显优于BP神经网络和经验公式,且绝对误差和相对误差变化较稳定,可以有效预测导水裂隙带高度。      

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

A RBFNN-based method for the prediction of the developed height of a water-conductive fractured zone for fully mechanized mining with sublevel caving

The movement and failure of overlying strata induced by underground coal mining cause “three zones,” including the caving zone, the water-conductive fractured zone, and the sagging zone from the bottom up. For knowledge about the height of the water-conductive fractured zone, there has been no empirical or theoretical formulae for thick coal seam using fully mechanized longwall mining with sublevel caving. This paper presents a methodology of determining the height of the water-conductive fractured zone based on the radial basis function neural networks (RBFNN) model in MATLAB software. Before modeling, the relationship between the height of the water-conductive fractured zone and mining thickness, the lithologic character of the overburden and its composite structures, and workface parameters was studied. After that, 32 and 7 measured data were used as training and testing samples, respectively. It has been found that the average relative error is 6% and the maximum relative error is 10% for 7 test samples by comparing actual results with predicted results. The model was applied to the no. 31503 workface in the Gaozhuang coal mine for safety evaluation. The predicted value is 59.6 m, and the measured value is 55.9 m. The RBF-based model shows much better performance than empirical formulae in the Regulations for Coal Mining and Coal Pillar Design under Buildings, Water-bodies, Railways and Main Shafts for the prediction of the height of the water-conductive fractured zone for fully mechanized mining with sublevel caving.     

邢东矿深部带压开采导水裂隙带微震监测及突水机制分析

针对邢东矿2222工作面深部带压开采接近临界值且局部受隐伏断层等构造影响,可能出现底板突水的问题,采用ESG微震监测系统实时监测导水裂隙带形成过程,并利用研发的CMMA-3D微震分析系统获得了2222工作面底板导水裂隙带的空间位置,为针对性注浆治理和安全开采提供了重要指导。基于断裂力学分析了隐伏断层活化突水机制,推导出隐伏断层扩展长度计算公式。获得了不同类型隐伏断层(正断层和逆断层)的扩展规律:正断层扩展长度(35)l与承压水压力p和侧压系数?均呈正相关;逆断层扩展长度?l随承压水压力p的增加呈现出先减后增的变化趋势。底板导水裂隙带渗透性随采空区垮落岩体压实度的增加而降低,阐明了2222工作面突水量后期逐渐减小的原因。     

灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

生态脆弱矿区土层中导水裂缝带发育高度研究

为指导生态脆弱区\     

综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析

确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留设以及瓦斯抽采设计提供依据。采用井下仰孔注水测渗漏法,实测山西西山煤田镇城底矿8煤导水裂缝带高度为57.98 m,其中冒落带高度16.72 m,裂隙带高度41.26 m。依据实测结果并收集了8个矿综采一次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度数据,利用数理统计回归分析的方法,得出了适用于综采一次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度计算的经验公式,并与《煤矿安全规程》中相应经验公式进行对比分析,结果表明,该公式适用性好,而《煤矿安全规程》中有关公式应用于中厚煤层综采一次采全高开采条件预测,其误差较大。     

Investigation on mining-induced fractured zone height developed in different layers above Jurassic coal seam in western China

The mining-induced fractured zone height (MIFZH) is of significant importance for water hazard prevention and regional eco-environmental conservation in the Jurassic coal field of western China. The paper discussed MIFZH developed in bedrock and Neogene laterite from two aspects of field measurement and theoretical analysis respectively. In theoretical analysis of MIFZH developed in bedrock, based on plate and shell theory, each stratum in bedrock above the coalface stress-decreasing zone was simplified as four clamped rectangular plates, and the value of the ultimate deflection of the thin plate and the height of the free space in the lower part of the stratum were compared to judge MIFZH. When MIFZH was developed in Neogene laterite, MIFZH was calculated by Pu’s theory and rock mass limit equilibrium theory in theoretical analysis; in on-site measurement, micro resistivity scanning imaging logging technology (MRSILT), overcoming the shortage of fluid leakage technology, was adopted to detect MIFZH, where its measured result proved the feasibility of theoretical analysis. The research results have important significance to water conservation mining and safety mining of the Jurassic coal seam in western China.     

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。