厚松散层及超薄覆岩条件下放顶煤开采防砂煤柱

为解放厚松散层及超薄覆岩条件下防砂煤柱储量,在掌握三隔、四含水文工程地质条件基础上,通过井下疏放四含水、合理确定允许放采比以及控制工作面两端覆岩剪切破坏,有效实践了“破坏四含、保护三含”的思路。项目自实施以来,已成功回采了40多万t煤炭,直接经济效益4000多万元。      

泾河下综放开采隔离煤柱对覆岩破坏控制作用的物理模拟

根据地质资料,分析了下沟煤矿泾河下特厚煤层大面积综放开采的地质特点,为实现水体下安全回采,确定了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方案。通过相似材料模拟试验,分析了改本区地质条件下各综放工作面间留设一定宽度隔离煤柱对覆岩破坏的影响。研究证实,隔离煤柱对覆岩破坏起到有效的控制作用。根据试验得出的单工作面最大裂采比,通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。且研究成果成功指导了5个工作面安全回采,可为该区及类似条件其他矿井的开采提供参考     

巨厚松散层下防水煤柱合理留设及其数值模拟

防水煤柱合理留设是巨厚松散层下煤炭开采设计的基本参数。通过对东欢坨矿第四系巨厚松散层地质特征分析,揭示了本区第四系巨厚松散层中的含、隔水层厚度及其结构分布特征和对煤炭开采充水的影响,建立了巨厚松散含水层下防水安全煤柱计算模型和理论,提出了在巨厚松散层下的防水煤柱留设的非线性计算方法,计算东欢坨矿8煤层防水煤岩柱的高度为65.62 m。根据流-固耦合理论,应用FLAC3D数值模拟计算软件,模拟了东欢坨矿 8煤层开采过程中上覆岩层变形破坏规律,揭示了煤层顶板岩体冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带的分布规律,获得了防水煤柱高度及相关工程技术参数,验证了巨厚松散层下防水煤柱留设的非线性设计方法和计算模型的可靠性,为巨厚松散层下防水煤柱合理留设探索了可行途径。     

带压开采条件分析与突水可能性评估方法

经过多年来带压开采的理论研究与实践,煤矿采区底板突水的机理已基本明确,尽管在量上把握相关因素与突水的关系,进而达到从根本上预测突水的目的,还需开展更深入的研究,但从已具有代表性的工作面突水条件研究所取得的零散实际观测资料中,可以总结提炼出带压开采条件分析与交水可能性评估的一般方法,比单纯用“突水系数”法更深入一步。本文以邢台矿务局东庞煤矿为例进行了尝试。     

高地应力条件下近断层开采底板突水危险性研究

兖州煤田各矿区目前已相继开始下组煤开采工作,深部下组煤开采受高地应力、高奥灰水压力影响,开采难度远大于浅部煤层。本文以兴隆庄煤矿开采下组煤中的16上煤和17煤两层煤为例,利用有限差分软件FLAC3D模拟了高地应力条件下近断层煤层反复采动过程,获得了采煤工作面距断层不同距离时的采场围岩竖向位移、竖向应力和塑性区分布图;对比分析了初次采动和第二次采动时围岩竖向位移、竖向应力和塑性区分布规律;利用塑性区分布范围是否与含水断层接触判断煤层底板是否突水,并得到了工作面发生底板突水时的临界突水距离,与规范计算结果进行对比,两者基本一致。研究成果对指导煤矿防治水害工作和确定防隔水煤岩柱留设宽度具有一定参考意义。     

厚松散含水层薄基岩下厚煤层防水煤柱综放安全开采分析

通过对朱仙庄矿87采区厚松散层及薄覆岩的含水层、隔水层及基岩风氧化带工程岩组特性的分析,采用物理模拟、FLAC3D数值计算及现场实测的综合研究方法,对一次采全厚综放开采覆岩移动破坏规律进行了深入研究。研究结果表明,采区内松散层下部的第四含水层组富水性极弱,补给条件差,且基岩风氧化带具有较强的隔水性能,可以留设防塌煤柱开采;采用综放开采时,其覆岩最大垮采比为1.69,在-240m标高以下的防水煤柱内实现了一次采全厚放顶煤安全高效开采,取得了显著的经济效益。     

基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过程分析

以平顶山东部矿区为工程背景,利用岩石真实破裂过程分析软件（RFPA2D）,模拟了采动影响下覆岩介质损伤的动态发展过程。数值模拟结果表明,采动裂隙的形成过程是一个复杂的演化过程,在加载初期覆岩介质损伤小,声发射现象不明显,应力和位移基本上无变化,无明显裂隙产生。随着加载步的增加,覆岩内部介质出现破裂,声发射次数、应力值和位移值不断增加,此时裂隙场处于孕育、不断积累并扩大阶段。当声发射次数、应力值、位移值都达到最大值时,裂隙经过萌生、扩展之后形成宏观裂隙,进而导致煤岩体由弹性状态转变为塑性状态,使覆岩大面积垮落。该数值模拟结果对平顶山东部矿区的开采具有巨大指导意义。     

陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比

多煤层开采条件下煤层覆岩破坏具有独特的特征,影响矿井生产布置。以陕北某矿为例,以该矿地质采矿条件为基础,采用相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法,通过建立模拟模型,开展了双煤层开采对覆岩的破坏影响研究。结果显示：留设不同宽度的煤柱,采用相似材料模拟和数值模拟2种方法得到的煤层覆岩垮落带高度、裂隙带高度都基本一致;在双煤层开采时,留设的煤柱宽度越大,两个煤层的叠置区域就越小,煤层开采对覆岩的破坏程度就越小。在工作面布置时,建议增大两个煤层的开采距离,并尽量增加煤柱宽度,以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。研究成果为类似双煤层开采工作面的设计及覆岩破坏控制提供技术支撑。     

顾北煤矿1243（3）工作面提高回采上限覆岩破坏高度研究

提出对顾北煤矿1243(3)工作面回采上限开采产生影响的主要含水层为新生界承压含水层、基岩风化带及顶板砂岩含水层。根据其水文工程地质、勘探和土工试验资料,分析新生界松散层含(隔)水层、基岩风化带及煤层顶板砂岩含水层的水文工程地质特征以及各含水层之间水力联系,结合《"三下"开采规程》、覆岩类型、含水层富水性特征,确定该工作面水体下开采等级为Ⅱ类,并通过类比、公式法、实测研究冒落带破坏高度,确定防水煤柱高度,收作线上口防水煤柱最小,采后冒落带仅发育在二叠系煤系地层中,符合《"三下"开采规程》Ⅱ类水体的有关规定,工作面回采无水害威胁。     

朱集煤矿导水断层边界防水煤柱合理留设研究

朱集煤矿1111(1)工作面以F29断层为北边界,F29断层落差35 m,倾角70°,断层切割上下含水层,为较大导水正断层。在布置采煤工作面时,需留设断层边界防水煤柱。根据淮南矿区经验,留设防水煤柱一般取经验值80～100 m,故1111(1)工作面布置至F29断层前100 m。根据科学计算,得出准确防水煤柱宽度为60 m,这样既能提供矿井安全回采的科学依据,又能减少压煤量,提高回采量。并可为今后其他采煤工作面留设防水煤柱提供参考。     

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究

以榆阳煤矿为研究基地,进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明,风积沙层底部为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高,含水率大,抗压、抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的黏土矿物含量低、具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性,并通过多因素拟合,确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采,为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。     

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。     

逐阶段安全提高巨厚松散含水层下煤层开采上限研究

为最大限度回收煤炭资源,安全缩小防水煤柱,针对淮北矿区煤层普遍上覆巨厚第四系松散含水层,煤层顶板不稳定情况,淮北刘东煤矿把提高开采上限工作分为防水、防砂两个阶段推进。首先通过研究分析西三采区第四系底部含水层和黏土隔水层等水文地质资料,确定西31000工作面第四系底部含水层为弱富水性,水体采动等级为Ⅱ级;然后通过数值模拟、物理模拟和对比分析等方法研究开采后的覆岩破坏高度,并与井下实际观测值进行对比,确定西31000工作面采后导水裂缝带的发育高度为41.3 m;据此提出了安全、合理的防水开采上限高度。安全回采后,成功解放呆滞储量22万t,为下一步进行防砂安全开采打下了良好的基础。     

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。     

山区急倾斜煤层开采上覆岩层弯曲挠度预计

为了研究山区急倾斜煤层开采上覆岩层的弯曲变形规律,建立了上覆岩层弯曲变形的力学模型,运用弹性力学中的薄板弯曲理论,推导了上覆岩层弯曲挠度的预计公式,利用此公式对上覆岩层的弯曲挠度进行了计算。研究结果表明:(1)由于山区急倾斜煤层覆岩的线性荷载的作用,岩板的弯曲挠度曲线不再具有对称性,岩板弯曲挠度的最大值偏向于岩板倾斜的下山方向;(2)岩板弯曲挠度随着采深的增大而增大,岩板弯曲挠度最大值出现的位置逐渐由下山方向向采空区中点移动,但是最大挠度出现的位置不会越过采空区中点而位于倾斜岩板的上山方向;(3)岩板弯曲挠度随着山地倾角的增大而增大,岩板挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远;(4)岩板弯曲挠度随着煤层倾角的增大而减小,岩板弯曲挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远。     

潘谢矿区水文地质特征与缩小防水煤柱机理

淮南潘谢矿区年总设计生产能力为 2 10 0× 10 4t。区内第四系松散层厚 16 9～ 437m ,为巨厚松散强含水层 ,设计留设80m防水煤岩柱 ,防水煤柱储量达 6× 10 8t。通过开展缩小防水煤柱试采研究工作 ,将原设计留设的 80m防水煤柱减小到6 0m左右 ,局部仅 40m。本文通过总结潘谢矿区 10年来缩小防水煤柱工作面成功的开采实践 ,比较系统地阐述了潘谢矿区水文地质特征、覆岩破坏规律及缩小防水煤柱机理。     

山区下开采覆岩移动规律及破断机制研究

以海石湾矿山地下开采为背景,借助基于连续介质力学的离散元方法--CDEM数值模拟计算方法,对山区下煤层开采过程中不同采动影响模式下覆岩的移动和破坏进行了模拟分析,并结合相似模拟试验与现场岩移监测所得结果,得到了顺坡推动式采动影响模式及逆坡牵引式采动影响模式下,覆岩的移动和破坏形式,并从数值分析和实际观测上验证了高顺坡开采转低逆坡开采时覆岩悬臂梁结构的存在,解释了坡底局部隆起的现象。研究表明,在相同地质条件下,顺坡开采坡顶易发生张拉及剪切破坏,坡底有剪切蠕滑的可能,因此,较逆坡开采对边坡稳定性影响更大。所以在实际生产中宜将上工业广场建于低矮的坡体较完整的逆坡上。