焦作矿区煤层底板注浆加固工作面突水原因与防治

焦作矿区水文地质条件极为复杂,煤层底板受到承压水的严重威胁,为此对工作面煤层底板进行了注浆加固改造。但近几年底板注浆加固工作面仍发生突水事故,严重影响了矿井的正常生产,并构成了安全隐患。通过对焦作矿区近年来8起底板注浆加固工作面突水事故进行调研,详细分析了突水工作面主要充水水源、注浆加固改造情况、突水情况及原因,总结归纳了注浆加固工作面突水影响因素,利用实例计算验证了易突水位置,并进一步提出了水害防治措施。     

孤岛工作面应力分布规律的数值分析

为得出孤岛工作面推进过程中应力分布规律,采用有限差分法分析软件FLAC-3D进行模拟分析。得出了孤岛工作面的上下两区段煤柱分别承受着孤岛工作面上覆岩层的重量,处于高应力集中状态;随孤岛工作面向前推进,在工作面前方形成了应力降低区、应力升高区、原岩应力区;随孤岛工作面向前推进,煤岩应力集中系数不断增大。该研究为制定防冲、防突等措施提供参数数据,对于指导现场生产具有重要的应用价值。     

金属矿山崩落采矿法引起的岩层移动规律分析

以典型陡倾结构面条件下的金属矿山--程潮铁矿西区为例,通过对矿区的地表变形监测资料及宏观破坏特征分析,认为矿区的岩层移动分为2个阶段,第1阶段为采空区顶板岩体破坏扩展至地表引起塌陷阶段;第2阶段为采空区周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段,并得出了倾倒滑移区的地表岩体变形规律：岩体主要发生水平移动,水平移动值大于沉降值;变形先以缓慢变形为主,然后进入一个快速变形阶段,存在明显的转折点;开采沉陷和地形引起的应力同向叠加作用,使得地表岩体沿下坡方向的变形值增大,特别是水平移动值。同时揭示了矿区岩层移动角的分布特征;南部岩层移动角大于北部,究其原因是北部受最为发育的NNW、NNE结构面影响,倾倒破坏较为严重。所得成果为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

Errors in measuring uniform aeolian sand flow by means of an adjustable trap

A vertical-slot sand trap was constructed incorporating a device to adjust the freedom of flow through the trap. Using a dune-sand of equivalent diameter 0.25 mm, measurements of sand transport were made with this flow so adjusted that no change of sand surface geometry detectable by eye occurred upstream of the trap; this was considered to be a correct procedure. Further measurements were taken with the flow through the trap deliberately set to be (a) more vigorous and (b) less vigorous than the correct setting. In the latter case very significant differences were observed in measured transport rates of sand compared with the ‘correct’measurements. The disparities are of interest because it is commonly assumed that sand grains have enough ‘penetration’to enter a slot trap freely despite a degree of stagnation upstream of it. This does not appear to be a prudent assumption and substantial errors may result from lack of attention to the provision of free air flow through the trap.     

浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及防治方法

陕北浅埋煤层大规模、高强度开采诱发了严重的地面塌陷,造成大面积土地损毁、水土流失和植被死亡,导致表生环境出现退化。为掌握浅埋煤层开采地面塌陷裂缝发育规律,明晰其机理,提出适宜的治理恢复措施,实现“煤?水?生态”的协调发展,以陕北张家峁井田和柠条塔井田为研究区,采用实地调查、模拟实验和理论分析相结合的方法开展了浅埋煤层开采地面塌陷规律及防治方法研究。结果表明:浅埋煤层开采地表裂缝呈“O”型展布,静态发育特征与采高和地形地貌呈正相关关系、与采深呈负相关关系,且同一工作面切眼附近地表裂缝发育程度最高、巷道次之、面内最低;地表裂缝具有“先开后(半)合”和“只开不合”2种活动特征,整体活动时间为4~9 d,活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度呈线性正相关关系,与稳定宽度呈线性和指数2种正相关关系;黄土沟壑区下坡段开采地表裂缝活动与表土块体的稳定性系数有关,而稳定系数与坡角呈负相关的一次幂函数,与主裂缝间距呈正相关的一次幂函数。上坡段开采坡体裂缝“先开后(半)合”活动受岩块倒转和坡体滑移双重控制,面内沟底裂缝“先开后合”的活动特征受关键岩层运移控制。研究提出了黄土沟壑区沟底贯通型裂缝“裂缝填充+沟道恢复”、坡体裂缝 “裂缝充填+微地形改造”的治理方法和风沙滩地塌陷区的“三圈”修复模式。研究成果在陕北安山煤矿和柠条塔煤矿进行了应用,效果良好。      

硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究

扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构穿越全断面硬塑性黏土地层,施工停机后多次出现地表塌陷事故。利用室内试验研究硬塑性黏土浸水条件下的崩解、软化特性,结合现场实测数据分析该工程地表塌陷的原因,进一步讨论此类破坏发生的过程,据此提出泥水盾构在全断面硬塑性黏土地层施工时地表塌陷的预防措施。研究表明:泥水盾构停机使开挖面硬塑性黏土在泥水浸润下发生崩解、软化,使开挖面上方形成局部孔洞;随着时间延长,局部孔洞逐渐向上发展直至地表,最终形成地面局部塌陷。泥水盾构在硬塑性黏土地层施工时,应当避免停机;当必须停机时,应尽量缩短停机时间,避开建筑地段,同时加强地面监测,必要时应在开挖面上方地层进行注浆加固,防止坍塌破坏。     

采掘工作面地质信息数字孪生技术

矿井地质透明化是智能化煤矿建设的基础,三维地质建模是实现矿井地质透明的重要手段,以往采掘工作面地质建模存在插值算法不符合地质规律、多源异构地质数据融合程度低,以及煤矿生产装备与地质信息耦合少等问题。提出煤矿采掘工作面地质信息数字孪生的概念,采用离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation,DSI)算法,利用钻探数据及地震构造解释数据地质建模,建立DSI平行相似约束后迭代计算得到的地质综合模型。开发了三维地质建模软件,实现了点(地质点)、线(地质界线、地层界线)、面(三维地质界面)、体(封闭地质体)4种地质对象的构建,在体对象基础上开发了立方网功能,基于区域统计学算法对体对象内的空间数据进行属性插值。使用建模软件构建掘进、回采工作面数字孪生的地质模型载体,接入微震监测系统、电阻率监测系统、随掘地震监测系统、随采地震监测系统实时监测数据,实现工作面地质信息数字孪生,反映采掘扰动下的地质变化;为煤矿掘进生产提供基于地质模型的场景仿真和掘进规划巷道断面曲线下发,指导掘进机自主掘进,提供掘进前方地质异常距离预警,保障掘进地质安全;为回采工作面提供基于地质模型的场景仿真和规划截割曲线,指导采煤机自主规划截割,提供回采前方地质异常构造位置、应力集中区位置距离预警,提高回采工作的安全性。该技术在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿进行了应用,为安全、高效采掘工作提供地质保障。      

综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术

为保障厚煤层综采工作面回撤巷的安全使用,以鄂尔多斯纳林河二号井31102工作面回撤巷强矿压显现为背景,通过现场监测与理论分析相结合的方法,对厚煤层综采工作面开采过程中回撤巷强矿压显现进行研究。结果表明：厚煤层综采工作面回撤巷强矿压显现,主要为工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力,以及回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用的结果。根据强矿压发生机理,提出回撤巷道及相邻巷道钻孔卸压和补强支护相结合的控制方案,使其处于“强支、强卸”状态。在相邻31103工作面回撤巷实施强矿压控制技术,通过现场观测和数据分析,表明强矿压控制技术效果良好,可有效保障回撤巷的安全使用。     

蒙陕深埋矿区工作面涌水量全生命周期演化规律

蒙陕深埋矿区属于新开发矿区,煤炭开采扰动下水文地质特征仍不清楚,基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题,其中工作面回采过程中和回采结束后的涌水变化特征研究处于空白,给井下排水系统设置和防治水工作开展增加了难度。为查清工作面回采前后的全生命周期涌水量演化规律,开展顶板含水层分布、导水裂隙带发育、涌水量变化等方面的实测研究。结果表明：煤层顶板地层均属于河流/河湖相沉积,空间上呈含隔水层互层状展布,隔水层的主要岩性为泥岩、砂质泥岩;受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造,含煤地层高程在蒙陕接壤区最低,其顶板侏罗纪煤系含水层属于区域性地下水滞流区。煤层顶板地层在中生代沉积旋回作用下,发育了3层直接充水含水层,其中直罗组七里镇砂岩(Ⅰ号含水层)距离3-1煤层顶板77.4～109.4 m,呈富水强、水压高的特点;导水裂隙带实测高度为103.4 m,裂采比18.8,工作面回采过程中导水裂隙带将发育至Ⅰ号含水层。工作面回采前期,随着导水裂隙带向上发育沟通不同含水层,采空区涌水量呈阶段性增加,工作面回采至300 m左右,采空区涌水出现第一个峰值;工作面回采中后期,导水裂隙带持续周期性发育,导致顶板含水层...     

韩城矿区南部构造变形特征与构造成因

以地表观测与最新的地震和钻探等工程资料为依托,运用构造解析研究思路与方法,对韩城矿区南部进行构造应力场与期次恢复,讨论研究区构造变形特征、形成机制及变形期次。分析研究区构造变形特征与构造空间组合关系,划分控煤构造样式,揭示构造成因,进行含煤有利区构造预测与评价。结果显示,区内存在NEE向挤压断块、NEE向复式地堑构造及NNE向挤压隆升-伸展断陷复合构造等3种构造样式,以NEE向复式地堑构造为主;研究区自三叠纪后经历了印支运动期NNW向挤压、燕山运动中期NWW向挤压和喜马拉雅运动期NE向挤压兼右旋剪切与NW-SE向伸展断陷作用3期构造作用,最大主压应力方位分别为335°、285°、44°;NEE向的正断层系是喜马拉雅运动期沿先存的同向优势构造剪节理面进一步发育而成,构成了区内特征性构造,控制了区内煤层空间赋存状况,其发育程度直接影响区内煤炭资源下一步勘查与开发进程。研究区东北部煤层埋藏深度适中,构造简单,是煤炭资源赋存条件最有利区,通过进一步勘查评价,有望成为韩城矿区重要的资源接续地之一。     

Monitoring and mechanisms of ground deformation and ground fissures induced by cut-and-fill mining in the Jinchuan Mine 2, China

As an advanced mining technology, cut-and-fill mining was successfully applied in the Jinchuan Nickel Mine over 18 years until the end of 1999 when ground fissures occurred above the ore body. Since the first field investigation of the ground fissures in 2000 and the establishment of GPS monitoring network in 2001, ground deformation and damage has been continuously monitored and researched for the last 10 years. By the end of 2010, the maximum vertical displacement reached 1,720 mm and accompanied by the rapid development of ground fissures. This study considers the effects of large-scale stress adjustment and redistribution, hysteretic backfill, low strength of filling body, unfilled void space, as well as repeated mining activities concurrently caused ground deformation and ground fissures. Besides, the hysteretic mechanisms of ground response relative to the mining operations and the mechanisms of displacement variations are discussed from different perspectives. The results provide invaluable information on designing and building mines with the cut-and-fill method.     

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。     

Monitoring ground subsidence induced by salt mining in the city of Tuzla (Bosnia and Herzegovina)

Salt mining induced ground subsidence is a major hazard in the city of Tuzla (Northeastern sector of Bosnia and Herzegovina) and its surroundings since 1950, when solution mining of salt deposits by boreholes began. An analysis of the large (and never before processed) amount of topographical data collected during two periods: from 1956 to the Balkan War, and from 1992 to 2003 has been made. The analysis reveals a cumulative subsidence as high as 12 m during the whole period, causing damage to buildings and infrastructures within an area that includes a large portion of the historical town. Human-induced subsidence, (with rates up to 40 cm/year in the most developed area), has been investigated to recognize the areas affected by the sinking phenomenon and to produce a subsidence hazard. The time series of topographical observations have been enlarged by conducting new surveys in the urban area by modern space-geodesy methodologies, such as static relative GPS (Global Positioning System) and high resolution satellite imageries. The GPS monitoring started in 2004 and detected a decrease in the subsidence rates to 20 cm/year related to the reduction of salt exploitation. There is close correlation between the average subsidence rate and the annual amount of salt extracted.     

水泥-水玻璃双液浆在工作面顶板突水溃砂治理中的应用

煤矿顶板突水溃砂威胁矿井安全。基于煤层顶板突水溃砂区\     

龙口矿区地表移动的参数识别与变形预报

针对地下开采引起的地表沉陷问题,根据矿区的实际地质条件建立了岩层的线弹性力学模型。编制了计算地表移动的有限元正算程序和优化程序,利用现代控制系统论方法和参数识别理论,由实测的地表移动值反算各岩层等效力学参数,并对本矿区其它采区的地表移动进行了变形预报,为矿区地面建筑物保护处理提供参考。     

山东省巨野煤田采空区塌陷预测与治理规划

巨野煤田是目前华东地区埋藏最深、探明储量最多、集中开采面积最大的整装优质煤田。规划建设的6个矿井即将全部投产。个别已采矿井的部分采区已经出现塌陷迹象,矿区生态环境开始面临重大威胁。论文在论述矿区生态与地质环境背景基础上,预测了采空区塌陷产生的影响情况,提出了塌陷区土地复垦与生态环境治理规划方案。为加强矿区环境保护、保持区域经济社会可持续发展提供了科学指导。     

构造综合分析法判定瓦乌斯矿区电法推断的断层

瓦乌斯矿区(盆地)是一个NW走向、南北均为断层边界的断陷含煤盆地,通过电法工作,发现该矿区煤层露头附近视电阻率等值线密集,推断存在走向断层DF2,但该断层究竟存在与否?产状如何?争议很大。文章基于岩体变形破坏的摩尔强度原理,应用节理应力场分析、赤平投影和断裂共生组合的构造分析方法,判断DF2断层是矿区断裂共生组合中第2序次断裂中的一支,并确定了该断层的产状,结合DF2附近的岩层厚度及变形等特征综合判定了DF2断层的存在。该研究结果对中新生代断陷含煤盆地的构造分析和该矿区煤炭普查工作有积极的指导意义。     

薄基岩条带开采覆岩与地表移动数值模拟研究

通过数值模拟模型，分析了薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏机理、地表的下沉和水平变形等移动变形值，揭示了薄基岩条带综放开采引起的上覆岩土层的应力场、位移场及地表的移动变形规律，为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定了基础。