榆树坡煤矿1201工作面覆岩离层水体治理技术研究

榆树坡煤矿1201工作面为该矿的首采工作面,工作面回采初期顶板发生数次周期性透水事故,严重影响工作面的生产安全。为解决顶板水害的威胁,通过数值模拟及理论计算,对工作面上覆岩层导水裂隙带发育高度、离层空间发育的位置、充水水源等进行系统的分析并判别致灾离层,结果表明:1201工作面顶板倾向导水裂隙带高度为52 m,周期性突水水源为直罗组底部粗粒砂岩含水层(第四层),致灾离层为第三与第四岩层之间的积水离层,据此设计采用离层充水水源疏放及致灾离层充水探放技术防治顶板水害,应用后回采期间工作面涌水量稳定在110～140 m~3/h,实现了工作面的安全开采。     

煤层顶板次生离层水周期突水致灾过程模拟

为了提高煤层顶板离层水害防治效果,分析了离层水害的动态周期性特征。根据关键层理论,推导出主采煤层覆岩中产生离层的判别式,采用计算机数值模拟手段,模拟了离层形成过程,总结了顶板次生离层水害的周期性特征。研究表明:离层是由于主采煤层的覆岩力学性质差异较大,当煤层开采致使覆岩产生不协调一致的弯曲下沉而产生。随着工作面的推进,离层形成后持续发育至极值,当上方有充水水源时,则形成离层水。此时,若导水裂隙带发育高度凸跃发展导通离层水体时,该离层水将溃入井下造成离层水害。然后离层逐渐压实萎缩,水体流失殆尽。随着煤层顶板周期性破断,离层水害周期性发生。离层动态周期出现的规模各不相同,其中以第1次出现的离层空间规模为最大,对应的离层次生水害亦最大。研究区工作面每推进100 m,离层水害动态发生1次。     

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用

为了实现鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田受顶板水害威胁的煤炭资源安全开采,基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题,对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害4种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系统研究。侏罗纪煤田离层水害发生的地质条件为砂泥岩互层,泥岩隔水层厚度是控制离层水害发生的主控因素,研发了离层水体精准定位探放技术,实现了离层水害判别与防控技术的定量化;导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主控因素,构建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水溃沙危险性评价体系,发明了含水松散沙体高效注浆技术,有效避免了薄基岩溃水溃沙的发生;发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性,揭示了递进渗流充水模式,提出了"适当波及,主动防控"的厚层砂岩水害防控新理念,解放了大量受厚层砂岩水害的煤炭资源;揭示了烧变岩的"边界富水"效应,将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区,并构建了烧变岩不同断面注浆材料选择准则,提出了双位双向孔序优选引流注浆帷幕技术,显著减少了烧变岩对工作面的补给水量,同时实现了采煤保水。通过将典型顶板水害防控技术在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田的推广应用,有效遏制了顶板水害事故的发生。     

崔木煤矿顶板离层水防治技术

为解决崔木煤矿煤层顶板高位离层水体突水灾害问题,通过分析涌突水规律,采用数值计算对煤层顶板涌突水与水位联动机制、离层发育位置和覆岩导水裂隙带发育高度进行了研究,并提出了防治离层水水害的方法。研究结果表明:洛河组水位变化与井下涌突水有较强的关联性;顶板离层发育位置和导水裂隙带高度揭示了在洛河组底部将发育有离层空间并充水;在以往研究结果基础上,采取井下探放水钻孔对离层水进行疏放是防治离层水水害的有效措施,该措施使该矿21303工作面回采期间最大涌水量控制在30 m3/h以下,同时为我国西部侏罗系煤炭资源开发时综放开采顶板离层水防治水设计提供对策。     

采动覆岩“突水离层带”岩体结构演化致灾机理及突水预报方法

离层水害是近年来我国东西部矿井较为常见且严重的水害类型，研究采动覆岩结构演化对揭示离层突水机理、灾害预测防治有着重要意义。为分析不同工程地质条件下离层突水演化机理，将可以产生采动覆岩离层涌水的离层水体及其上下位一定范围的岩层统称为“突水离层带”。建立“突水离层带”采动岩体结构力学模型，根据上位岩层和下位隔水层破断规律，分析5种突水类型(采动覆岩离层静水压突水、采动覆岩离层动力突水、多煤层叠加开采离层突水、传统顶板导水裂隙涌水和离层积水不突水)的形成机制和力学条件，研究回采期间导水裂隙带时空演化与离层突水的关系；基于工作面开采条件、覆岩条件、突水离层带发育位置和微震监测，分析了离层突水形成条件，揭示了离层突水演化机理，并对永陇矿区崔木煤矿和招贤煤矿工作面开展了实例分析，提出了工作面离层突水预报方法。研究得出：(1)随着工作面推进，充水离层上位岩层和下位隔水层破断规律的差异是导致出现5种突水类型的根本原因；(2)只有在采高M和充水离层与煤层间距H处于某种特定关系下，才会满足形成“突水离层带”的基本条件，发生离层突水；(3)陕西崔木煤矿21306工作面离层突水主要是由上位岩层破断导致，突水期...     

文家坡矿煤层顶板离层动态发育特征UDEC数值模拟研究

煤层顶板离层空间的形成、发展、破裂伴随着工作面离层水害的形成,采用UDEC数值模拟方法,以文家坡煤矿4104综放工作面为研究对象,分析了工作面回采过程中煤层顶板覆岩离层空间的动态发育过程,为矿井离层水害的形成机理提供了理论依据。     

厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究

为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条件影响下,富水性弱～中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故;较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成,而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象;照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层,水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔,随着积水量增加,渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体,并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面,导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。     

曹家滩煤矿顶板富水性分析及防治措施研究

为了避免西部高强度开采矿区发生工作面顶板溃水溃沙灾害，以地表生态脆弱的榆神矿区曹家滩矿井的首采工作面为研究背景，分析了首采工作面煤层的地质概况，确定了影响工作面发生水害事故的充水因素，将物理探测和“三图”法相结合对首采工作面煤层顶板富水性特征及分区进行了综合论证分析。结果表明：大气降水和地表水是矿井的间接充水水源，煤层顶板导水裂隙带波及范围内的延安组、直罗组和基岩风化带含水层的水为直接充水水源|导水裂缝带是矿井发生水害事故的主要充水通道|矿井风化基岩含水层富水性较强，延安组为弱含水层。通过FLAC 3D研究了覆岩裂隙运动破坏规律，工作面推进至180m后，导水裂隙带发育速度增加，推进至240m后达到最大值约159m，覆岩的裂采比为26.5。结合上述分析，提出了以完善矿井水害监测系统和建设防排水系统、合理确定回采参数和培训防治水专业人员相结合的防治水技术改进措施。     

软弱覆岩分层综放开采工作面“两带”发育高度研究

水体下采煤突水溃砂事故是制约煤矿安全高效生产的主要因素之一,尤其对软岩矿区特厚煤 层高强度开采的威胁更为严重。 垮落带和导水裂隙带(合称“两带”)高度是水害预测预报的基本参 数,采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测及钻孔取芯的综合手段,通过地面钻孔对软弱覆岩 特厚煤层分层综放开采覆岩破坏“两带”发育高度进行现场观测,并利用离散元数值分析方法研究了 覆岩破坏裂隙场的变化特征。 研究结果表明,软弱覆岩特厚煤层分层综放开采时,上分层综放开采岩 层移动角约为75°,垮采比为5.60~5.62,裂采比为11.67~12.20;下分层综放开采垮采比为4.59~4.71,裂 采比为8.04~8.58;下分层采厚为上分层采厚的78.28% ~84.71%时,垮落带高度增大49.41% ~50.85%, 而垮采比减小16.19% ~18.33%,导水裂缝带高度增大21.72% ~25.38%,而裂采比减小29.67% ~ 34.10%。 本研究可对松散含水层下分层综放开采工作面水害预测预报及安全煤岩柱留设提供参考。     

工作面导水裂隙带高度观测分析

工作面回采后上覆岩层遭到破坏,下沉形成导水裂隙,导水裂隙带高度的确定对于顶板水害的防治具有重要的意义。文中首先对导水裂隙带高度观测系统工作原理及系统构成进行了阐述,其次对回采工作面垮落带和弯曲下沉带理论计算分析,最后将导水裂隙带高度观测系统运用到回采工作面导水裂隙观测实践。研究结果表明导水裂隙带高度观测系统可以有效的确定工作面上覆导水裂隙带高度,实测结果对指导该矿防治顶板突水具有重要的参考意义。     

采动覆岩高位离层演化特征及涌( 突) 水前兆信息研究

采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法,重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化,并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌(突)水前兆信息,揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙(纵向主导水裂隙和横向离层裂隙)演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象,黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点,侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层,厚及特厚煤层开采时易在侏罗-白垩系交界上下形成高位离层积水;当导水裂隙与高位离层积水沟通时,形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明:当工作面达到充分开采时,采空区两帮离层裂隙较为发育,中部处于压实区,最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部;工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合,导致宜君组水位周期性异常下降;工作面经长时间停采,恢复开采后,重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳,导水裂缝带沟通离层空间,造成离层涌(突)水;水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息;关键层的破断会引起微震能量事件,伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间,造成宜君组水位异常下降;工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重,加快离层涌(突)水通道形成,离层涌(突)水通道逐步增大;随着出水次数增加,水位提前下降时间减少,微震能量事件能量降低,涌水量增大;采动过程中离层涌(突)水的前兆信息-白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。     

近距离煤层下层综放工作面压架机制研究

以大佛寺煤矿40109综放工作面在近距离煤层重复采动过程中出现的压架事故为研究对象,利用顶板灾害监测预警系统掌握40109工作面在回采过程中周期来压规律,结合40109工作面工程地质条件分析以及顶板涌水情况可知,上煤层回采扰动、下层厚煤层开采以及矿井水侵蚀造成的40109老顶破断-失稳是压架事故发生的主要原因。后期通过加强对40109综放工作面顶板的合理管理,有效预防了压架事故的发生,保证了该工作面的安全快速回采。     

富水覆岩采动裂隙渗流相似模拟研究

为了确保工作面在综放开采条件下安全生产,研究了采动过程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板透水的灾害机理.结合具体工程地质条件,利用固-液耦合相似材料模拟方法对首采工作面综放开采过程进行了研究,分析了裂隙带与冒落带导水通道分布特征,总结了含水层潜水渗流规律.模拟结果表明,当工作面推进到300 m左右时覆岩主关键层断裂,裂隙带发展高度到达含水层,为顶板透水提供了可能的通道.在此基础上,分析了采动岩体的周期破断与裂隙发展过程,划分了顶板透水危险区域,其结论可为大佛寺煤矿顶板透水预测及防治提供依据.     

海下软覆岩煤层顶板离层水发育规律数值模拟研究

运用离散元软件对某矿海下软弱覆岩2煤顶板离层水空间发育规律进行了数值模拟研究,结果证明:顶板软弱覆岩条件下会发生离层现象,在4.36 m采高和开挖步距为10 m情况下,开挖距离为200 m时会发生3次离层现象,且离层发展一直处于"产生—发展—闭合稳定—产生"的循环过程;根据工作面突水特征、突水水源和突水通道等因素分析,并与数值模拟结果进行对比,得出该矿工作面突水并不是导水断裂带直接导通互层含水层所致,而是由于离层突水所致。     

地面定向钻孔超前区域治理底板岩溶水害技术应用

为了进一步提高矿井岩溶水害治理技术的可靠性,降低工作面水害威胁,解决矿井面临的太原组上段灰岩岩溶裂隙发育、 水压高、 富水性强、 井下钻孔施工工程量大、 施工工期长等安全技术问题,陈四楼矿在南翼2506工作面(里段)实施了底板水害地面区域治理工程,选取L8灰岩含水层作为目标层位,施工1个主孔,13个分支孔,累计钻探进尺...     

膏体充填综采底板破坏规律与实测研究

针对承压水上煤炭资源安全开采的难题,以河南焦煤集团朱村煤矿承压水上膏体充填开采为工程背景,采用理论计算、数值模拟分析和现场实测的方法,研究了膏体充填开采底板破坏规律及演化特征,并对膏体充填开采底板破坏范围和突水性进行了预测研究,揭示了膏体充填开采控制底板破坏的力学机理。研究表明:煤矿底板破坏深度随采高的增加而逐渐增大,但当增加到一定高度(1.8 m)后,底板破坏深度趋于某一相对稳定值;膏体充填综采可使得底板破坏深度由垮落法开采的12.0 m左右,减小到2.0 m左右,突水系数由0.19~0.56减小到0.08~0.20;实测表明:膏体充填综采完整区域底板最大破坏深度约4 m,断层影响处底板最大破坏深度范围为10.0~12.0 m,膏体充填综采过程中未出现突水灾害。膏体充填综采相当于降低了煤层采高,相对增加了底板隔水层厚度,有效提高矿井开采的安全保障度。     

承压水上采煤断层突水的固流耦合研究

在理论分析的基础上,建立了承压水上采煤的固流耦合数学模型,并编制了有限元程序,利用该程序用数值模拟的方法,系统地分析了各断层要素影响下采场的应力分布规律及突水机理,得出了断层倾角、断层厚度和断层断距与突水的关系;采用三元线性回归法,确立了正、逆断层下临界断层防水煤柱宽度与各断层要素的拟合关系式,给出了突水判据.     

特厚综放工作面过断层防治水技术体系实践

为解决巨厚砂岩含水层影响下特厚煤层综放开采过断层水害防治的技术难题,以彬长矿区孟村煤矿首采面揭露的断层为例,采用槽波勘探CT成像、井下钻孔高位探查的手段对断层展布、含导水性和水害威胁进行了研究。针对该断层展布长、落差大、水害威胁严重的特点,研发了留设限高保护带、超前注浆加固、采空区涌水滞后分流等水害"A+B"综合防治技术。在首采面现场试验后,确保了孟村煤矿401101工作面回采通过DF29断层期间涌水平稳,未发生架前大面积淋水和采空区水量突增的情况,研究成果为彬长矿区类似条件矿井的安全生产提供借鉴。     

综放面复杂火区治理及防二次氧化技术应用研究

为有效治理易燃特厚煤综放面在末采铺网期间煤自燃火灾隐患,以潞新公司5243工作面为工程背景,理论和实践相结合分析了末采铺网期采空区自然发火的诱因,预测采空区3~5 m处为易自燃区域位置,并向预测危险区域施工钻孔,采取了灌注三相泡沫大范围覆盖包裹火区浮煤,注氮惰化、提高采空区压能,减少漏风和灌注液态CO2快速惰化降温的综合防治手段,且制定了火区启封后隔氧、惰化、覆盖降温为一体的防二次氧化措施。通过现场应用,实现封闭火区灾害的有效治理和安全启封,保障了工作面采煤设备及支架的回撤。