采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。      

基于条带式充填开采的离层注浆减沉技术研究

在浅部资源渐趋枯竭的背景下,针对大量“三下”压覆煤炭,离层注浆减沉技术越来越受到广泛应用。不过目前条带式充填开采基础上的离层注浆工艺研究还比较欠缺,结合邢台某矿条带式充填开采+离层注浆减沉实践,通过充填后采高等效换算,条带开采工作面注浆关键层优化、邻空工作面注浆孔位确定和注浆压力持续控制等关键技术,实现了条带式充填开采回收以往煤柱的地表沉降控制,地表沉降幅度在30mm以内,补充了不同条件的离层注浆工艺研究,对以往条带式开采矿井剩余煤柱的绿色回收有重要意义。     

特殊地质条件下覆岩离层注浆钻孔疏通及工作面跑浆防治技术研究

为了有效解决建筑物下压煤与矿井开采之间的矛盾,近些年采动覆岩离层注浆技术得到广泛的推广及应用,并产生了良好的经济效益。但在覆岩离层注浆工程中经常会出现各类跑浆事故,影响矿井生产和安全。分析了采动覆岩离层注浆工程钻孔压水p-t曲线,针对性的采用了高压气-液联动通孔技术成功疏通已下入注浆管的ZK-2钻孔,并结合采矿情况合理确定了钻孔注浆时机。在此基础上,以工作面跑浆事件为案例,从地质构造、采动影响裂隙发育、支承压力等方面对跑浆原因进行了详细分析,从封堵浆液压入量计算经验公式、堵漏时机、浆液材料及配比、具体实施方法四个层面制定了跑浆综合处置方案,经检验封堵效果良好、处置方案科学有效,后续注浆过程中未出现类似事故。     

基于数值计算的覆岩移动离层量计算方法

地下煤层开采后造成的地表沉陷，对矿区环境，特别是铁路、房屋等建筑物造成重大危害。覆岩离层带高压注浆减缓地表沉降技术可以有效地减少或缓和沉降向地表发展。离层空间发育大小是进行离层带高压注浆工程设计的重要参数之一。文章的研究基于数值模拟，采用三次样条曲线回归方法，推导出一套计算采动覆岩离层量大小的公式。配合有限元计算，可以动态地计算离层空间的变化过程。对离层带高压注浆减缓地表沉降工程具有指导意义。     

裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望

注浆堵水是地下工程和矿山水害防控的常用技术措施,但是,目前浆液扩散机理与采动效应的研究滞后于工程实践的要求,制约了注浆工程科学有效地实施。本文跟踪裂隙岩体中注浆浆液扩散研究,受裂隙地下水“偏流效应”启发,提出了深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的命题,包括2个关键科学问题：裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、偏流形成的“浆-岩”组合体采动变形破坏和渗透性变化机理。结合研究趋势,提出了跨学科综合研究方法。以典型矿山注浆防治水工程为背景,研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化,揭示裂隙岩体动水条件下注浆浆液扩散偏流机理及其影响因素,获得裂隙岩体内帷幕注浆形成的三维异形“浆-岩”组合体形态和力学特性,建立浆液偏流扩散数学模型,构建“浆-岩”组合体渗透性采动效应评价方法,为深部矿山水害防治和安全生产提供科学基础。     

离层注浆防治地表塌陷的注浆量计算

地下煤层的大量开采，引起采空空间向地面的转移从而导致地表塌陷，造成危害。基于岩体中离层产生、发展的研究理论，提出利用“离层注浆防治地表塌陷技术”以控制地表塌陷。注浆量和与其相应的泵压是覆岩离层注浆工程实施防治地表塌陷成功与否的关键参数之一。通过对注浆机理及浆液流动模式的简论，给出了注浆量的两种计算方法并引入几个重要参数。文章指出了与计算所得注浆量相匹配的泵压，且给出一个在理论指导下的选型实例，为现场施工设计提供了理论依据。     

采后覆岩分带模型及工程意义探讨

采后覆岩力学状态与顶板事故、顶板水害等直接相关,有必要对采后覆岩结构进行深入研究。提出了覆岩结构“新四带”模型:垮落带、裂隙带、基岩离层带、松散冲积层带。结合前人的“三带”模型、“四带”模型进行了空间上对比分析,厘清了3种分带模型的空间关系。重点从覆岩内含水层水位受采动影响、光纤探测、顶板淋水现象等几个方面探讨了“新四带”模型的科学性,得出煤层上覆基岩内任何层段都可能产生离层裂隙(达到一定宏观尺度时称为离层空间)的结论。“三带”主要用来校核采煤支架的额定工作阻力以及指导防隔水煤(岩)柱的设计;“四带”可在一定程度上指导离层带注浆工程实践,但存在井下溃浆安全风险以及弱化“三带”原有工程价值的缺点;“新四带”传承了“三带”的工程意义,同时可有效指导顶板离层水害的防治。      

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,掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征,揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明,煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝),动态裂缝在开采后能够实现自修复,工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重,其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后,基岩垮落角为60°,土层垮落角为65°,边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采,煤柱叠置、错距20、40 m时,区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m,地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式,能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度,据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。      

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

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。      

我国首例离层注浆减沉试验的再思考

20a前在抚顺老虎台煤矿512采区进行的我国首例离层注浆减沉试验为探索煤矿可持续开采技术提供了宝贵经验。试验采区地表下沉比预计小的真正原因是采空区密实水砂充填(充满率为70%~85%),覆岩中巨厚绿色页岩层遇水碎胀(碎胀率为185%)和大采深极不充分采动(采动程度系数为0.14)。离层注浆主要起到了使绿色页岩层碎胀的作用,而留在覆岩离层中的粉煤灰量极少(只占煤炭采出体积的3%)难以起到减沉作用。试验结果说明该技术在缓沉方面比减沉更有效。     

缓倾斜地层顶板离层水对综采工作面的危害及防治探讨

以重庆松藻矿区在打通的一综采工作面缓倾斜地层中掘进时发生的两次顶板水灾为例,对其顶板突水原因进行了探讨。通过分析该矿区的矿井地质及水文地质条件,认为矿井充水水源为上覆地层的离层水。该矿井的M7-3煤层开采后,导水裂隙切穿了上覆地层长兴组灰岩,贯通了玉龙山一段灰岩隔水层,进入玉龙岩二段岩溶裂隙含水层。由于含水层的上覆岩层在采掘过程中,因岩性差异发生不均衡沉降,形成了大量的离层空间。离层空间吸收、储存的大量地表降雨在采掘工作面推进到一定位置时,就会发生突水。据估算,S1821工作面上覆岩体离层、裂隙储水空间按三分之一计算为2.064×105m^2,与该工作面抢险救灾期间排出的涌水量基本吻合。根据该矿离层水的赋存特点,提出了保证排水系统畅通,加强采煤设备管理,提高采面设计水平的防治水对策。     

确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的试验

卸压瓦斯抽采技术的关键在于根据采动裂隙场分布规律合理布置瓦斯抽采孔。针对富含水厚煤层大采高工作面快速推进,依据采动裂隙时空演化特征与瓦斯运移规律,在亭南煤矿实施了确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的工业试验。通过对不同层位钻孔抽采浓度统计分析,卸压抽采钻孔终孔布置在裂隙带离层区抽采效果最好,从而确定卸压瓦斯抽采钻孔的合理层位。      

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明:开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析

应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程,再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。数值计算中,引入了冒落岩体的碎胀效应,使得计算结果更合理地反映了现场实际,主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式,随着工作面的不断推进,上覆岩层可呈现出周期性的运动特征;裂隙拱发展到一定高度后,工作面垂直方向上不再扩展,只在工作面推进方向向前扩展,此时裂隙拱拱顶为一近似水平线,冒落带、裂隙带和下沉带3带分明;覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。     

厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防——以淮南顾桥矿为例

以顾桥矿工程实践为基础,结合物理模拟实验和现场监测结果,研究了厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防。结果表明:钻井破坏是地面卸压瓦斯抽采失败的关键,采动影响下地面瓦斯抽采井破坏以变形和错断为主,破坏深度不一,主要集中在松散层中下部和基岩中上部;在钻井完好情况下,将钻井终孔位置布置于断层附近、“O”型圈范围内更有利于卸压瓦斯抽采。采动引起的上覆岩层离层、应力集中、竖向破断以及厚表土层“杠杆效应”造成地面瓦斯抽采井破坏,其由下至上多次出现是导致地面井多处变形破坏的主要原因。煤层采动对工作面前方巷帮应力、顶板应力的影响范围分别可达320 m、350 m,对轨顺相对位移影响范围可达工作面前方50m和后方200m,采场中部覆岩与地表之间的相对位移量远大于采场边缘附近,更容易导致井孔破坏。采用“抗”和“让”相结合的井身结构、“上止下泄”固井–完井施工工艺以及合理的井位布置等措施,可有效防止卸压开采地面钻井变形破坏,实现瓦斯稳定高效抽采。      

离层积水存在的矿井工作面涌水量预计

通过对某矿发生特大顶板突水工作面的充水条件分析,认为工作面采动叠加影响,在顶板厚层砂岩中形成的离层积水,是突水的主要充水水源。采用经验类比法和当量流径法,基于工作面涌水量值为正常涌水量与离层裂隙积水引起的涌水量之和,提出了涌水量预计计算理论公式,预计了该工作面未采区段恢复生产的涌水量大小。经实际开采检验,该方法基本可行。      

辛安煤矿1402工作面临空窄煤柱采掘响应及动态加固

随着我国煤炭资源去产能整合煤矿的增多,复采工作面临空窄煤柱采动失稳问题日益凸显,已严重制约矿井安全高效生产。为此,针对辛安煤矿复采1402工作面辅运巷道5号钻场临空窄煤柱稳定性控制的工程难题,运用数值模拟与理论分析相结合的方法,探究5号钻场临空窄煤柱稳定性采掘扰动响应特征,提出5号钻场临空窄煤柱动态注浆加固技术方案并开展现场应用和效果检验。研究结果表明:1402工作面辅运巷道掘进对5号钻场临空窄煤柱稳定性影响较小;在1402工作面回采期间,距5号钻场18~6 m范围,临空窄煤柱集中垂直应力由非对称马鞍形分布逐渐过渡为拱形分布;距5号钻场6 m时,临空窄煤柱承载叠加垂直应力超过煤体强度,塑性区完全贯通,极易破坏失稳;现场采用MP364型注浆材料及专用注浆设备对5号钻场临空窄煤柱前后5 m区域进行加固,动态注浆始终超前工作面10 m,通过深孔窥视和气体监测手段验证临空窄煤柱良好的封堵固化效果,保障了工作面安全回采,为我国整合矿井类似条件下煤柱稳定性控制提供借鉴和参考。移动阅读      

条带开采覆岩应力响应机制及移动变形规律研究

条带煤柱长期承受覆岩载荷,同时受采空区积水、邻近采动等因素的影响,发生失稳的可能性大大增加。条带煤柱失稳导致覆岩与地表再次运动,成为地表灾害的潜在隐患。为了对条带煤柱覆岩运动演化特征进行深入分析,以典型地区条带开采采空区覆岩运动演化特征为研究对象,运用FLAC3D软件对条采采空区覆岩的应力响应机制及移动变形规律进行了分析研究。研究结果表明:条带煤柱失稳后,煤柱顶板垂直应力由双峰变为单峰,峰值且相较于失稳前增加;地表沉陷量及水平移动均出现大幅度增加,对地表建构筑物构成极大危害。通过研究条采采空区覆岩应力响应机制及移动变形规律能够对条带开采区域地表下沉进行精准预测,对防治条带开采时煤柱失稳造成灾害提供了理论依据,同时对地表建构筑物的建设及安全防护提供科学指导。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。