短壁块段式充填采煤覆岩导水 裂隙发育机理及控制研究

针对矿区开采遗留的"三下"压煤、边角煤柱、工广煤柱以及不规则块段等煤炭资源的回收问题,同时为解决矸石堆积危害和煤炭开采造成的水资源流失,提出采用短壁块段式充填采煤技术回收该资源。为了准确地计算短壁块段式充填开采造成的导水裂隙带发育高度,在分析块段式充填开采工艺特点和上覆岩层移动特征的基础上,采用弹性地基梁理论,建立了一种计算块段式充填采场覆岩导水裂隙带高度的力学分析模型。以现场实验区域为例,研究得到实验工作面导水裂隙带高度不发育至含水层的最小煤宽度柱和采空区充实率分别为5 m和65%;鉴于此,现场设计保护煤柱宽度为5 m,充实率为80%。     

含水层下矸石充填采煤覆岩导水裂隙的演变原因及研究目标

固体充填采煤是用机械化方式,将矸石等固体废弃物填入采空区的技术,它能采出更多的煤炭资源,并能处理矿区固体废弃物,还能使填入采空区的固体废弃物对上覆岩层的移动和裂隙发育有控制作用,所以固体充填采煤能给含水层下压煤矿区提供安全有效的方法。本文主要研究导水裂隙带发育范围与充实率之间的定量关系、矸石充填采煤覆岩破坏程度、裂隙带形成中导水裂隙的进化规律。     

近距煤层高效保水开采理论与方法

地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失,从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水),尤其是为保护地下潜水(生态)水位,基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验,提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以"高效保水采煤"为目标,针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件,研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制,以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法,实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征,以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和"采-支-运"快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区,形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践,为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。     

含水层下短壁块段式采煤导水裂隙带高度发育规律研究

针对大规模粗放型开采所产生的煤柱和不规则块段等滞留煤炭资源的回收问题,提出采用短壁块段式采煤技术对其进行回收,并对块段式采煤上覆岩层导水裂隙带高度发育规律进行了研究。基于块段式工作面的特殊性,确定影响块段式采煤过程中导水裂隙带高度发育的主控因素分别为采高、块段间保护煤柱、块段长度和埋深。采用UDEC模拟软件对块段式采煤过程中不同影响因素下的导水裂隙带发育规律进行分析。结果表明:导水高度随采高和埋深的增加呈线性增加,随块段长度的增加呈对数函数增加,而随块段间保护煤柱宽度的增加呈线性递减状态。依据各因素与导水裂隙带高度关系,通过MATLAB对导水高度进行非线性回归分析,建立了块段式采煤导水高度预测模型,得到预测导水高度为52.9 m;现场实测导水高度为47.98~50.06 m。     

长壁机械化掘巷充填采煤围岩结构稳定性及运移规律

为解决西部生态脆弱矿区煤炭开采率低、采后环境易破坏等难题,提出了一种长壁机械化掘巷充填采煤方法。在系统阐述该技术方法的巷道布置与充填采煤工艺的基础上,分析了该技术的难点与关键。基于长壁掘巷充填采煤岩层移动特征,建立了长壁掘巷充填开采采场力学模型,推导出了采场顶板下沉方程与煤柱承受载荷计算公式,并结合极限强度理论,提出了煤柱失稳判据。以陕西榆林常兴煤矿3101工作面掘巷充填采煤为工程案例,通过充填体材料力学特性测试,优化设计了掘巷充填采煤开采方案。采用3DEC数值模拟软件对掘巷充填采煤上覆延安组层间裂隙承压水隔水层与第四系松散层孔隙潜水隔水层移动特征及稳定性进行了分析,现场应用案例表明,该技术可有效控制工作面围岩结构稳定性与上覆隔水层岩层移动,提高煤炭资源回收率,可为西部生态脆弱矿区煤炭资源开采与环境保护协调发展提供借鉴。     

陕北浅埋煤层似膏体充填条带开采参数研究及应用

陕北地区生态环境脆弱、水资源缺乏,同时该区域又赋存着丰富的浅埋煤层资源。为解决采煤引起的水资源流失问题,提出了在陕北"保水区"应用风积沙似膏体充填条带置换开采技术。基于弹性地基理论,构建了条带开采的煤柱-顶板力学模型,推导出了采后顶板下沉的挠曲公式,并结合Winkler地基理论及极限强度准则,计算出条带工作面合理的采宽及留宽。针对由风积沙作为骨料,由粉煤灰、水泥作为胶结料,与水经充分混合搅拌形成的充填体,经实验室合理配比试验,得出了最佳的充填材料配比及强度指标,并从微观层面揭示了充填体内结晶体穿插成网程度决定不同龄期充填体强度的机理。以榆林市上河煤矿为实例,通过对该矿3216工作面开采实践,数值模拟得到了开采过程中隔水层运移规律。研究结果表明:采后隔水层沉降量最大值为27.9 mm,表明开采过程隔水层保持稳定,采场覆岩结构得到了较好的控制。现场工业性试验表明,条带开采采空区充填效果良好,现场监测覆岩位移变化不显著,总体呈现出下部岩层位移中部岩层位移上部岩层位移。上河煤矿通过成功实践条带充填置换开采技术保证了覆岩的良好稳定性,大幅降低了覆岩导水裂隙带发育高度,3216工作面充填后涌水问题得到根本解决,并大幅提高了上河煤矿煤炭采出率。     

浅埋近距煤层覆岩导水裂隙发育规律固液耦合试验研究

为弄清浅埋近距煤层采动覆岩导水裂隙发育规律,设计了固液耦合相似模拟试验,分析了浅埋近距煤层开采过程中覆岩导水裂隙发育规律及隔水层弥合特征。下煤层开采过程中,浅埋近距煤层上煤层开采后已压实稳定的覆岩导水裂隙会二次发育,不同开采区域的覆岩导水裂隙发育程度不同。采动隔水层裂隙发育与其遇水膨胀是同步动作的。开采边界的隔水层裂隙在上煤层开采过程中遇水膨胀后能够弥合,在下煤层开采过程中由于遇水膨胀能力不足而无法弥合。采空区中部的隔水层裂隙在岩层回转挤压和隔水层遇水膨胀共同作用下能够弥合。     

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明：采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。     

五沟煤矿含水层下充填开采实践

通过对综合机械化矸石充填采煤一体化技术的剖析,根据五沟煤矿的具体地质条件布置了矸石充填采煤生产系统,并设计首采面CT101。通过对固体充填采煤覆岩导水裂隙带高度观测,表明其发育高度在11 m左右,小于试验区域最小基岩厚度15 m,实践成功。     

区段煤柱尺寸对覆岩运移影响研究

针对亭南煤矿二盘区区段煤柱宽度达30m的情况,应用物理相似模拟实验,对比模拟区段大煤柱、窄煤柱两种条件下对覆岩运移的影响。模拟实验表明:采用区段大煤柱时,煤柱具有较强的支撑能力,矿压显现剧烈、覆岩导水裂隙带较高且不易闭合;采用窄煤柱,当工作面推过一定距离后区段煤柱随即压垮,上覆岩层发生整体下沉,已形成的裂隙易于闭合,有利于隔水层的再生,阻滞了导水裂隙带继续向上发育,覆岩导水裂隙带高度有所降低,同时有效降低了煤柱支承压力,减缓冲击矿压威胁;受煤柱支撑作用影响,覆岩出现扭曲变形,窄煤柱压垮后,扭曲变形大大减弱,有效减轻了覆岩裂缝扩展与破坏。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

保水采煤的科学内涵

为保护干旱半干旱矿区含水层及生态系统,通过阐述榆神矿区矿床地质、开采条件、岩层移动特征等,从系统论角度提出了保水采煤的概念和科学内涵,并构建了保水采煤研究基本框架。认为保水采煤适用于干旱半干旱缺水矿区,目标是保护含水层结构和河流基流量基本稳定;主要研究地质条件、岩层移动控制技术、水与生态约束条件和保水采煤关键技术;技术途径包括控制岩层移动抑制导水裂隙带发育、隔水层再造和注浆改造隔水层等。低成本充填技术和沙漠区地下水位相对变浅后的环境效应是保水采煤研究面临的挑战。保水采煤研究是我国干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源保护的理论基础和依据。     

建筑物下压煤采空区充填新方法

简要介绍了超高水材料的特性以及超高水材料采空区充填工艺,根据邯郸矿务局陶一煤矿充填试验面首次应用情况,采用岩层探测记录仪对采空区充填固结体进行了钻孔窥视.窥视结果显示,超高水材料充填浆液不但能充实采空区冒落矸石,而且能对采空区冒落带上方岩层较小的裂隙进行充填,是一种理想的采空区充填材料.     

矸石充填开采协同承载机制及充填效果评价研究

为研究矸石充填体充入井下采空区后与围岩及煤柱的相互作用力学机理,基于矸石三向压实试验对矸石充填体与围岩协同承载效应开展研究工作,并对矸石充填开采条件下的充填效果进行评价研究.研究分析了矸石体积压缩率与各试验参数存在的定量函数关系;构建"充填体-围岩-煤柱"协同承载模型,阐明了充填体、围岩、煤柱三者共同对上覆岩层的承载控...     

保水采煤方法及其适用性分区 ——以榆神矿区为例

为解决我国西北地区脆弱的生态环境与高强度煤炭开采之间的矛盾,以陕北榆神矿区典型水资源保护性采煤条件为例,研究西北浅埋煤层保水开采技术及其适用性分区。针对榆神矿区地质条件,确定出浅埋煤层采动覆岩导水裂隙带发育高度与保护层有效厚度,得到保水采煤的临界采高,即最大理论允许采高分布状况。系统分析限高开采、(局部)充填开采、窄条带开采等保水采煤条件下的岩层控制理论,及其保水机理与适用条件。在此基础上,进行榆神矿区保水采煤技术的适用性分区。     

“天窗”下采煤的技术实践

天窗下采煤采用留设保护煤柱、空区利用高压水混合碎矸石充填等措施,以使采空区顶板冒落较小,尽可能地减小天窗带受导水裂隙带的影响,减少资源丢失。     

充填开采覆岩导水裂隙带高度预测

为了更加准确地预测某矿充填开采覆岩导水裂隙带的发育高度,以某矿实际地质开采条件为依据,通过公式计算、实地测量、相似材料模拟及数值模拟类比分析对其导水裂隙带进行预测。得出结果:本矿区顶分层垮落法管理顶板,底分层充填开采,可以用等效采高法按软弱岩层计算预测导水裂隙带发育高度。     

我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展

围绕西北煤炭开采中水资源保护基础理论研究中的关键科学问题,介绍了西北煤田地层结构特征、采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律和水资源保护性采煤机理与控制理论等方面的研究进展情况。构建了西北矿区不同生态地质环境类型生态-水-煤系地层空间赋存结构模型,分析了浅表层水分布特征与水循环运移规律;提出了覆岩裂隙表述和重构方法,构建了上位隔水层-中位阻隔层-下位基本顶结构协同变化模型和渐序变化模型;构建了该区初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系,探索了新式短壁保水采煤方法,为构建基于水资源保护的西北煤炭科学开采方法体系奠定基础。     

强含水层下巷式充填采煤覆岩破坏规律研究

为了进一步研究强含水层下巷式充填覆岩的移动变形机理,得到巷式充填覆岩导水裂隙带发育规律,利用FLAC3D数值模拟软件,结合公格营子矿区的地质条件建立矿区三维模型,模拟导水裂隙带的发育情况。分别模拟分析了采厚、充填率及充填体弹性模量三种影响因素下巷式充填导水裂隙带的发育情况,回归分析得出了各影响因素下导水裂隙带的高度公式。公格营子矿巷式充填开采结果表明,强含水层下巷式充填采煤是安全可行的且经济效益显著。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...