Support capacity and roof behaviour at longwall faces with shield supports

Summary Field investigations on seven U.S. longwall coal faces were carried out to examine the behaviour and interaction of roof, floor and support on longwall faces equipped with hydraulic powered supports. The most important factor in determining face stability was found to be periodic weighting and an empirical design equation was developed for support capacity. The interaction of various elements in the face system is examined and discussed.     

Strata deformation measurements on longwall coalfaces and their implications for design of powered support systems

Summary Recent developments in powered supports on British longwall faces include the advent of lemniscate designs, increased setting and yield loads, larger maximum extraction heights and a consequent rise in weight and cost. There was a requirement to examine the relevance of existing strata control theory to modern conditions. Measurements on five longwall coalfaces at four British collieries are described. Accurate measurements of support pressures, closures and inclinations, roof/floor convergence and lateral movement and hydraulic supply parameters were made with a digital data logging system. At one site magnetic extensometers were utilized to measure face and roof strains. Consideration of measured roof dilation and reclosure in conjunction with convergence provides a new perspective on the deformation mechanisms involved. The most important parameters governing strata conditions were identified as proximate lithology, foundation characteristics and adequate setting load densities. Recommendations are made regarding choice, design and operation of powered supports.     

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明：巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度Rc（p≥Rc）;评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。     

应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律

穿层压裂是提高煤层顶板水平井产气量的关键技术,而应力干扰对煤层顶板水平井穿层分段压裂效果具有重要影响,为此,建立顶板水平井穿层分段压裂数值模型,研究应力干扰对穿层分段压裂裂缝扩展的影响规律。结果表明：煤层的岩石力学参数、压裂段间距和压裂施工方式是影响顶板水平井穿层压裂段间干扰的3个重要因素,随着煤层泊松比的降低,叠加应力逐渐增加,段间干扰程度增加;随着段间距离的增加,叠加应力逐渐减少、应力干扰逐渐减弱;顶板岩层内的叠加应力和应力干扰程度明显大于煤层;渗流扩散泄压施工产生的叠加应力明显低于连续压裂施工,段间干扰程度明显降低。研究得出连续施工的中硬煤层分段间距在90 m左右,软煤层分段间距在70~80 m较合理。扩散泄压压裂施工段间距相应降低,中硬煤层的分段间距在70 m左右、软煤层分段间距在60 m左右较合理。工程实践表明,顶板水平井分段压裂裂缝穿透了煤层,形成了较长裂缝,取得了较好的产气效果,实现对煤层的高效穿层压裂改造,研究结果为顶板水平井穿层压裂段间距优化提供了理论依据。     

含煤地层岩石吸水性分析——以陕北杭来湾煤矿为例

为了查明影响含煤地层岩石吸水性的主要影响因子及其对于岩石吸水性的影响关系,在陕北杭来湾煤矿含煤地层取岩样,根据岩样的水理性质测试及X射线衍射试验数据,通过灰色关联分析及逐步回归分析对岩石吸水性的影响因子进行对比分析,结果表明：孔隙度及伊利石、高岭石、钾长石、绿泥石、斜长石的矿物含量为岩石吸水性的主要影响因子;利用逐步回归分析方法建立了岩石吸水性的回归方程,精度较高,可以较好地反映该矿区含煤地层岩石的吸水性与其主要影响因子之间的量化关系。     

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。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害控制研究

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制,补充了基岩老顶破断后控制岩块滑落失稳的充分条件和岩块触矸前后台阶下沉的判据,确定了台阶下沉量,给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例。研究发现,顶板破断后岩块处于不平衡状态,台阶下沉的机制是结构的滑落失稳;岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系;顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据顶板结构的赋存状况和结构特征,确定基岩老顶触矸前是否会出现全厚度切落;根据工作面的开采高度和采空区有效充填厚度等,可确定基岩老顶触矸后岩块的运动形式;根据顶板的破断步距、断裂下沉量和岩块摩擦因数等,可确定岩块触矸前后控制台阶下沉的支护力     

Productivity optimisation in weak sedimentary formations for improved coal production and roof stability—an approach

Far-field peak particle velocity (PPV) measurements were made in the roof while blasting in coal development drivages at Tandsi Mine, Western Coalfields Limited, India. The roof was fragile at this mine and was posing constant support problems for mining, resulting in low productivity. The PPV measurements have been used to decipher the damage zone in the roof. The extent of damage obtained has been compared to establish the threshold limits for the damage zone. Conversely, the maximum charge per delay that can be exploded is calculated and a suitable blast design has been recommended for maintaining the roof stability and pull. A roof vibration predictor equation has been developed that shows a consistent trend indicating that it may have future use in a similar geo-mining setup. The blast pattern recommended has reduced the damage extent, though marginally, but helped in improving pull. Critical PPV for incipient rock damage in underground coal mine development drivages under fragile roof were computed. The PPV level for incipient crack growth was found to vary from 500 to 800 mm/s while for overbreak it varied from 800 to 1200 mm/s. It was also observed that the location of cut holes, charge concentration and firing sequence were found to be responsible for the difference in their damage potential.     

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。     

UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性

通过UDEC(Universal Discrete Element Code)对厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩破坏特征的数值模拟以及物理模拟对计算结果的验证,得到了工作面走向中部覆岩冒落带高度随放采比的增大而增大、裂隙带高度随放采比的增大而发展缓慢的结论.覆岩沿高度方向形成"三带",但不同于其它条件下的放顶煤开采,采空区走向中部覆岩裂隙带高度与冒落带高度基本一致,顶板岩层呈现整体弯曲下沉.当放采比为2∶1与2.5∶1时,顶板岩层呈现整体弯曲缓慢下沉,裂隙带最大发育高度为20～22m.通过对覆岩破坏规律以及采区水文地质特征的分析,覆岩突水可能性很小.     

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。

     

吉林通化地区煤系高岭岩合成4沸石研究

以吉林通化地区煤系高岭岩为原料,采用水热法合成了4沸石,讨论了煅烧温度、用碱量、晶化时间和温度等对生成产物的影响。实验表明：合成4沸石的适宜条件为：煅烧温度650-850℃,用碱量Na2O/SiO2=2.80,晶化时间2 h,晶化温度80℃,胶化时间2 h,老化时间10 h,在此条件下合成的4沸石,其钙离子交换量为233.51 mg.CaCO3/g。     

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。     

重矿物在沉积物源分析中的应用——以内蒙古西部额济纳旗及邻区石炭系—二叠系为例

分析旧司阶—吴家坪阶额济纳旗及其邻区主要地层中的碎屑岩重矿物组合特征,结合区域地质特征、碎屑岩岩石学特征、碎屑锆石测年资料、古水流方向、沉积体系特征等,阐述了石炭系—二叠系沉积物的物源体系。重矿物组合特征显示,研究区北部黑鹰山-额济纳旗坳陷和南部的柳园-芒汗超克坳陷的碎屑岩重矿物组合类型和含量都有差异,指示它们来自不同的物源区;碎屑锆石测年资料显示,绿园-拐子湖凹陷的埋汗哈达剖面埋汗哈达组碎屑锆石的年龄可分为2类：436Ma±13Ma和1467Ma±110Ma,古水流方向也显示有北部物源区存在,说明沉积物源受敦煌－阿拉善－狼山古陆和马鬃山-拐子湖隆起带的双重作用;北部坳陷沉积物源来自马鬃山-拐子湖隆起带。     

管棚法在黔西北岩溶复杂地层探矿坑道中的应用

管棚法作为一种超前支护技术在浅层隧道施工领域得到广泛应用,但在深埋探矿坑道,尤其是在岩溶复杂地层中的研究应用甚少。文章以黔西北地区探矿坑道中遇到的软弱岩溶复杂地层为例,系统地探讨了管棚法在岩溶发育区探矿坑道掘进工程中,对坑道中的岩溶软弱带进行支护的设计、计算及施工方法。     

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。     

神木—双山地区古生界含气层系岩石地层划分

鄂尔多斯盆地东部神木—双山地区古生界地层含气层系多,地层在横向及纵向上变化复杂,为了更加准确评价该区域含气规模以及特征,本文在岩石地层单元定义基础之上,结合测井、地质等资料,对神木—双山地区古生界含气层系岩石地层的划分进行了重新认识,论述了各个含气层系及标志层的地质和测井响应特征,讨论了测井资料在地层划分及对比时的优越性和不足之处。     

京珠高速公路小塘至甘塘段煤系地层路堑高边坡稳定性分析与防治

京珠高速公路粤境小塘至甘塘段20m以上高度的煤系地层路堑边坡共计11处。岩层以全—强风化层为主,厚度20～40m,其物理力学性质大大降低,边坡可能发生平面破坏和圆弧破坏等2种破坏模式。部分地下水水质中SO2-4含量大于200mg l,具有强烈的硫酸盐侵蚀性。边坡防治对策应在详细勘察工程地质、水文地质的基础上,合理选用设置山坡截水沟、平台截水沟、泄水洞、边坡渗沟、排水仰孔等防、排水措施,减少地表水渗入坡体,疏干边坡表层地下水。