煤矿采空区隐蔽灾害探测及治理技术与实践

我国众多的资源整合矿井中存在着大量未知采空区,由采空区诱发的水害、火灾、顶板突然垮落等灾害事故,为煤矿的安全生产和地表工程建设带来了极大的安全隐患。以鄂尔多斯等地采空区精细物探勘查实例,对比分析了高密度电法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和浅层地震法等4种物探方法的适用性,建立了煤矿采空区探测的技术方法。讨论了采空区煤柱稳定性评估方法及采空区地表新建建筑物稳定性评估方法,并采用实例验证了该评估方法的有效性,为采空区隐患治理提供了理论依据。针对采空区隐患提出了采空区注浆充填治理技术、采空区顶板崩落治理技术及露天剥离治理技术,并结合具体实例进行了采空区致灾控制技术应用研究。研究成果为煤矿开采、采空区地表利用、灾害控制提供了一整套经过实践检验的勘查、评估及治理一体化的工作程序和方法。     

顶板诱导崩落模式选择时变数值分析

顶板诱导崩落是一种新的空区处理技术,其实施效果与诱导崩落施工路径、方法和顺序有关,同时矿岩体作为一种弹塑性体,具有非线性时变力学特征。运用时变力学的基本理论,建立了顶板诱导崩落的时变力学有限元基本方程。针对大厂铜坑矿92号矿体试验采场的地质特征,构建了顶板诱导崩落的时变力学有限元模型,采用多步骤开挖模拟两种不同顶板诱导崩落模式,研究两种不同工序的顶板塑性区发展、东西预裂与崩顶硐室的位移及其安全系数,分析了其对采场的综合效应。结果表明,先预裂后崩顶的顶板诱导崩落模式有利于顶板崩落诱导,并综合考虑诱导崩落效果与作业安全,建议采用先预裂爆破后强制崩顶的微差爆破一次成型工艺。     

顶板诱导崩落爆破效果的全景探测与评价

基于连续采矿的顶板诱导崩落技术,采用预裂爆破控制裂隙发展区间,强制崩顶爆破诱导顶板围岩裂隙发育、扩展,从而诱导顶板致裂失稳的可控崩落。然而在地下采空区顶板诱导致裂失稳崩落处理采空区过程中,预裂与崩顶爆破效果具有极大的隐蔽性,难以进行直观可视的评价。采用钻孔摄像系统,利用前视与全景可视技术,对顶板诱导爆破前钻孔形态和爆破的效果进行了探测,特别在爆破后的全景钻孔摄像,数字化描述了钻孔的裂隙特征,并通过钻孔摄像的图片分析评价了顶板诱导崩落爆破效果。全景探测的结果表明：（1）预裂爆破在顶板岩体中形成了清晰可见宽为20～40 mm的预裂缝,炮孔底部存在半个孔壁的预裂特征。（2）顶板围岩中产生了大量的次生诱导微裂隙带,裂隙交错呈“X”型,并且原生裂隙得到了扩展。（3）顶板诱导爆破实施后爆堆形状良好,大量裂隙发育以及碎裂岩体结构的形成有利于顶板的诱导可控崩落。     

浅析小浪底水库蓄水对库区济源段煤矿采空塌陷区的影响

小浪底水库建成运行后，引起区域地下水位抬升，库水通过一1煤底板和其采空区顶板裂隙进入其它煤层和采空区，造成采空区顶板岩石的软化，引发地裂缝及地面塌陷等地质灾害，严重影响了村民的生命财产安全及煤矿生产的安全。本文就小浪底水库蓄水后，对库区济源段煤矿采空塌陷区及煤矿生产的影响进行了分析，并提出了防治对策。     

瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用

山西省洪洞县某煤矿在开采下组煤时曾发生底板突水事故,为了安全开采3号煤层,需对该矿区的采空区及采空积水区进行探测。根据该区的物性条件,选用了对低阻异常反映灵敏瞬变电磁法进行施工。通过对发射框、发射频率、积分时间、增益、噪音水平等参数测试及测深点880-320与钻孔601对比,确定了该区的工作参数。经采集数据处理及反演解释,推断3煤层工作面存在8个采空区,其中有5个采空积水区,分别存在于工作区的东南部及北部边界。部分采空区及采空积水区范围,与已知资料基本吻合。     

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。     

紫金山金-铜矿露天采矿场地下不明空区的地质雷达探测

采用先进的地球物理技术探明露天采矿场地下不明空区的分布情况,准确确定其平面分布范围、顶面埋深及空间高度,对保障露天采矿作业的安全进行、预防突发性事故的发生具有十分重要的意义。运用地质雷达对福建紫金山金铜矿露天采矿场地下不明空区进行探测,在两个不同探测区块共完成18条探测剖面,剖面线总长近4km;经处理后的实测地质雷达剖面具有高清晰度、高分辨率,能准确反映地下各种不同规模的不明采空区的属性、平面位置、顶板埋藏深度、空区大致高度;地质雷达探测共查明较大空区异常55个。采用50MHz天线的地质雷达系统在该露采场的有效探测深度可以达40m以上。在露天采矿场,地质雷达探测受矿区地形条件及环境影响很小,可直接在岩（矿）石表面进行,不受第四系覆盖层对雷达波衰减吸收的影响。因此,地质雷达非常适应露天采矿场地下采空区的探测及定位。     

三道庄钼钨矿区采空区安全性评价

三道庄钼钨矿床是一特大型矿床,多年来由于无序开采,形成大量形态复杂的地下采空区群,严重影响和威胁矿区的正常生产,本文运用岩体的物理力学性质初步建立了采空区安全分类标准,采用普氏地压法、传统半定量法等理论方法,计算了采空区顶板的最小安全厚度,探讨了采空区的塌陷破坏模式,为采空区治理提供了科学依据.     

白石铁路隧道采空沉陷区治理方案设计

针对白石铁路隧道下岩体煤层采空区空间特征、沉陷发展趋势及隧道结构破坏特征,提出了采用全充填注浆的方法消除隧道围岩采空区塌落变形,再对隧道衬砌结构进行加固处理的设计思路。本论文重点对采空沉陷区几种注浆治理方案进行设计和比较,选定了隧道内钻孔注浆治理采空沉陷区的方案。     

金属矿采空区三维探测及可视化建模与应用

准确掌握采空区形态、大小及其边界是控制因采空区引发的灾害及优化采矿设计等的重要基础性工作。运用空区三维激光探测系统对采空区进行精密探测,获取探测数据,对原始数据处理后,运用三维建模软件Surpac精确构建复杂空区三维可视化模型,直观地表达空区的空间形态;以空区三维模型为基础,进行空区的体积、顶板面积和采场周边的超、欠挖量、存留矿量、采场塌陷区回采指标的计算及动态监测,并准确获得了采空区的实际边界等相关信息,从而为矿山进一步开展矿柱爆破设计、空区充填、贫损测定与控制,以及进行采场垮塌区处理等提供可靠的基础性依据。     

急倾斜煤层采空区地表变形对管道的影响研究

以拟建茶山矿区急倾斜采空区影响的潜江 韶关段管道为研究背景,从开采完成和采动过程中急倾斜采空区对管道影响进行研究。分析采空区地表变形移动对输气管道的影响,给出管道安全初步评价方法,并利用概率积分法对急倾斜采空区场地的管道安全进行预测评价,研究对以急倾斜煤层采空区场地敷设管道的安全运营有重要意义。     

煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析

结合一煤矿采空区场地作为新建高层住宅小区场地,通过开采条件、地表移动变形综合确定煤矿采空区的稳定性;采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性;建议采空区场地采取吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施来确保拟建建筑物的安全.     

Hazard degree identification and coupling analysis of the influencing factors on goafs

In China, there are a large number of mined-out area which bring a great hidden danger to the mine enterprise’s safety production and people’s life and property. Therefore, the stability evaluation and the mechanism analysis of goafs have become a hot issue in the study on sustainable development of mining industry. To solve the complexity, concealment, and uncertainty of goaf influencing factors, 14 factors, i.e., rock mass structure, goaf span, exposed area, and so on, were selected as the evaluation indexes according to an iron ore. Then, the hazard evaluation model of goaf was established by using the information entropy and the unascertained measurement (UM) theory to identify the hazard degree, and the hazard importance degree index was put forward by changing the influencing factors and its index value to quantitatively analyze the coupling degree of influencing factors. This paper takes the BFZ-8 goaf as an example to evaluate and analyze the goaf stability. The results show that the evaluation model about UM and the experimental schemes are feasible and practicability, and the UM evaluation grades are consistent with the fuzzy evaluation grades and the actual risk grades in the case of multi-factor coupling. And the experimental results quantitatively reflect the coupling degree of the influencing factors by comparing the relative change rate of the importance degree, and the coupling results are consistent with the actual situation. So, the method can guide the production safety of mine, protect life and property safety of miners, and provide technical support and a new method for hazard degree identification of the goaf.     

河南栾川钼矿多层采空区充填井成井工艺

由于地下开采形成了大量的采空区,容易发生坍塌事故,尤其对于从地下开采转为露天开采的矿山影响很大,对矿区的安全生产造成隐患,因此对采空区的处理十分重要。针对这一现状,本文研究了一种多层采空区充填井成井工艺,以对多层采空区进行支护处理。通过这种工艺可以减少岩石的移动幅度,防止大面积的地压活动,为矿区的生产和安全提供保障。由于各个矿山的条件不同,采空区的具体位置、形态特征及大小等的不同,对采空区处理方法也不尽相同,本文针对河南省栾川钼矿采空区的特点进行充填井成井工艺的研究与试验。     

公路隧道下伏采空区施工影响数值模拟分析

随着公路隧道的不断兴建,一些工程不可避免地要穿越采空区,相应地会给隧道的施工带来风险与潜在危害。从下伏采空区与隧道的空间相对位置建立有限元数值模型,分析不同距离条件下采空区对隧道结构之间的影响。计算结果表明,下伏采空区的存在对公路隧道结构和围岩稳定性的影响是显著的,当采空区与隧道的距离小于10 m时,其不利影响非常明显,施工中必须采取较强的预加固措施;下伏采空区对隧道结构影响的临界距离约为40 m,当此距离小于40 m时,必须考虑采空区对隧道结构和围岩稳定性的不利影响。     

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      

榆林地区浅埋煤层采空区电法综合勘探技术

为探明榆林地区浅埋煤层不明采空区,分析了其浅埋煤岩层垂向、横向正常电性特征以及存在采空区时的异常电性差异特征,从而确定榆林地区具备使用瞬变电磁法和高密度电法探测采空区的电性基础。然后开展了瞬变电磁法和高密度电阻率法探测的施工参数试验,建立相应的施工技术体系,实现了榆林地区浅埋煤层采空区的有效综合勘探。结果表明:(1)榆林地区正常地层垂向电性呈稳定的"低阻-高阻-低阻"趋势特征,而当煤层中存在地质异常体时,横向差异明显,出现不连续的高阻或低阻特征;(2)瞬变电磁法采用240 m×240 m发射线框、14 A发射电流、25 Hz发射频率、2048次叠加次数,高密度电阻率法采用20 m接收极距,这些施工参数可以满足榆林地区浅埋煤层采空区的电磁法探测要求;(3)瞬变电磁法、高密度电阻率法探测的异常区范围基本一致,在两种方法重合异常区打钻揭露采空区,说明两种方法可互相补充、验证,为应用于榆林地区煤层采空区综合物探的合理手段。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯排放的数值模拟应用

以寺河矿采空区瓦斯抽放设计为例,建立了非均质采空区渗流-扩散的有限元数值模型,直观地描绘了采空区瓦斯涌出过程、瓦斯分布规律及其在采空区回风隅角瓦斯积聚的流体力学原理。模拟结果表明,在工作面后方利用回风联络巷依次进行漏风导流和瓦斯抽放,可大幅度降低采空区回风隅角瓦斯浓度;同时漏风导流可以充分抑制采空区瓦斯涌入工作面,并能够降低抽放巷道的配风量。针对高瓦斯矿井采空区瓦斯排放问题,提出了“边采边抽动排”的综合治理采空区瓦斯的设计方案,给出了瓦斯抽放最佳位置范围、抽放流量和导流风量最低临界限。     

采空区建筑地基适宜性及沉降变形计算工程实例分析

基于稳定采空区场地并结合某一工程实例进行建筑地基沉降变形计算分析,并对采空区地基适宜性进行综合评判。提出一种适合于采空区地基的荷载影响深度 确定方法,采用概率积分法对采空区场地不同区域剩余变形进行预测,提出考虑活化变形、剩余变形、附加变形的采空区建筑地基沉降变形计算方法,研究结果表明：（1）建筑荷载相同时判别系数越小（0.10 （自重应力）、0.08 、0.07 、0.05 ）,荷载影响深度越大;判别系数相同时建筑荷载越大,荷载影响深度也随之非线性增大。（2）对于一般采空区地基,宜采用 （附加应力）= 0.10 判别标准确定荷载影响深度;对于复杂采空区地基,宜采用 0.05 判别标准确定荷载影响深度。（3）在常规方法上（ 0.20 ）确定的荷载影响深度 ,对于采空区地基经对比分析,1.4 和1.8 荷载影响深度可作为一般采空区地基和复杂采空区地基工程设计参考。（4）在不引起活化变形的最高层数建筑荷载下,地表剩余变形量非常小可忽略不计,采空区建筑地基沉降变形主要是土层附加压缩变形。（5）数值模拟结果表明,采空区内边缘沉降较大、不均匀沉降明显,不宜作为建设场地;采空区中央沉降较小,没有明显不均匀沉降,宜作为建设场地。     

煤电钻技术在探放老空水中的应用

通过 对采 空区 积 水规 律的 分 析与 研究 ,提 出在 积 水采 空区 下 沿空 掘进 采 用煤 电钻 探 放水 技术 及 方法 ,解 决了钻 机探 放 水的 塌孔 问 题,既保 证了 沿 空掘 进的 安 全,又 取 得了 较大 的 经济 效益 。