近40年黄河流域资源环境格局变化分析与地质工作建议

为保护黄河流域矿区生态环境,以府谷县庙哈孤矿区安山煤矿125203工作面为背景,采用数值模拟实验、相似材料模拟实验和理论分析相结合的手段,基于工作面过双沟地形开采时地表裂缝发育位置、发育形态等参数,总结出开采诱发地表裂缝发育规律。通过理论分析,建立了浅埋煤层过双沟地形开采地表裂缝发育相对位置函数T及其判别条件,讨论了双沟地形沟谷参数与地表裂缝发育相对位置之间的关系。研究表明,工作面过支沟G1时,共发育地表裂缝4条,最大裂缝宽度23 cm,最大错台11 cm,裂缝发育超前于工作面推进;过主沟G2时共发育地表裂缝7条,最大裂缝宽度79 cm,最大错台45 cm,裂缝发育滞后于工作面推进。裂缝发育相对位置受地质条件、沟深、坡度和沟谷跨度等因素共同影响。地表裂缝发育相对位置函数与裂缝超前(滞后)距离、裂缝宽度和错台以及单沟裂缝总条数密切相关。双沟相互影响程度与工作面推进方向有关。研究结果可为浅埋煤层沟谷下开采地表裂缝发育研究提供一定的理论依据。     

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化.为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部...     

浅埋近距离煤层群开采覆岩与地表移动破坏规律研究

为掌握浅埋近距离煤层群下行开采覆岩破坏及裂隙带发育规律,以红柳林煤矿浅埋近距离煤层群开采为例,采用相似材料模拟和数值模拟研究,对浅埋近距离煤层群下行开采的覆岩破坏特征及裂隙带发育高度进行研究,结果表明：2^-2煤开采的初次来压步距约为60m,周期来压步距约为15m; 2^-2煤覆岩关键层破断后,导水裂隙带高度增长速度变大,并直达地表,高度达165m,裂采比大于27.5;多煤层开采下,3^-1、4^-2煤层导水裂隙带高度发育至上覆煤层底板后均发生突增并直达地表,最终导水裂隙带高度为175m,煤层的重复采动使得地表移动和变形值增大,破坏程度增加;多煤层重复采动导致工作面两侧应力释放,较单煤层开采最大应力值变小。研究结果可为近距离多煤层的安全高效开采提供参考。     

浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究

以陕北榆树湾井田为地质原型,采用柔性隔水层物理相似模拟试验,初步得出了该井田顶板岩层及粘土隔水层在开采影响下的破坏规律,发现顶板基岩关键层仍然是隔水层稳定性控制的关键,指出隔水层下沉梯度T_S为控制隔水层导水裂隙出现的指标。     

浅埋煤层过沟开采覆岩裂隙与地表裂缝演化规律数值模拟

浅埋煤层过沟开采在陕北矿区普遍存在,严重威胁着矿井安全生产和生态健康发展。覆岩采动裂隙及地表裂缝的发育是岩体微裂隙的延伸和扩展的结果,为更加系统地研究浅埋煤层过沟开采覆岩微裂隙的演化规律,以陕北安山井田125203工作面为背景,根据现场沟道剖面及钻孔资料,采用Particle Flow Code (PFC)数值模拟平台构建颗粒流数值采煤模型,模拟分析覆岩微裂隙的发育特征、数量变化规律和力链演化特征,揭示微裂隙的发育规律和地表裂缝发育机理。结果表明:浅埋煤层过沟开采过程中,覆岩微裂隙发育表现为“产生–延伸和扩展–聚合成群–贯通成缝”的动态演化过程;根据微裂隙的基本发育特征及分布规律,可将发育全程划分为非连续跳跃式、连续贯通式和横向扩展式3个微裂隙发育阶段;覆岩微裂隙数量随工作面推进距离的增大而增多,非连续跳跃式和连续贯通式发育阶段呈现指数增长特征,分别累计发育微裂隙547和2 867条,覆岩微裂隙逐渐发育至地表;横向扩展式发育阶段呈线性增长特征,累计发育微裂隙11 705条,微裂隙数量随岩层高度的增大而减小;覆岩力链演化过程中,强黏性力链的破坏致使微裂隙发育,局部产生应力集中,强黏性力链拱自下而上逐渐破坏并贯通至地表,导致微裂隙延伸发育至地表形成地裂缝,力链在未贯通岩层的微裂隙两侧和尖端及地表裂缝两侧形成强力链区,微裂隙处形成弱(无)力链区。该研究成果可为陕北矿区浅埋煤层过沟开采覆岩及地表损害防控提供理论指导。      

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。      

厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律

为了研究厚松散层下多煤层重复开采对地表移动的影响,结合淮南矿区地质采矿条件,在分析顾桥煤矿重复开采地表移动规律的基础上,运用FLAC^3D软件建立数值模拟模型,研究了重复开采地表变形规律,并建立了地表变形参数与采动次数之间的关系模型。研究表明：厚松散层下首次开采时地表下沉系数大于1,随着采动次数的增加,松散层逐渐被压实,地表下沉系数呈现线性增大的趋势,但3次开采后松散层已经压实,下沉系数趋于稳定,不再随采动次数增加而增大;达充分采动后,地表移动盆地范围不再增大,但受到采深增大的影响,主要影响角正切、边界角与采动次数之间均呈线性增大关系。该成果为研究厚松散层重复开采地表移动规律提供了理论依据和技术参考。     

建筑物对浅埋隧道开挖地表沉降的影响

采用解析法研究穿越地表建筑物浅埋隧道开挖引起的地表沉降。由无建筑物时岩土体开挖引起的地表沉降公式及半无限平面在均布荷载下的相对沉陷,推导出了穿越地表建筑物浅埋隧道施工引起的地表沉降公式,并通过实例验证了此方法的可行性。采用上述方法研究了地表建筑物的重量及其与浅埋隧道位置关系对地表沉降的影响,研究结果表明：浅埋隧道开挖引起的地表沉降随建筑物重量的增大而增大;建筑物中心到隧道轴线的水平距离是对地表沉降的一个重要影响因素,超过一定范围时建筑物的存在对地表沉降的影响可以忽略不计。研究结果可为类似隧道工程提供一定参考。     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

深部开采地表沉陷规律模拟研究

通过对煤矿深部开采沉陷的结构力学模型研究,提出了盆地水平煤层地表沉陷的理论预测模型,给出了整体和分步两种近似计算方法。在变动煤层开采深度和工作面长度的条件下,采用数值模拟方法对相关的数据进行了拟合计算对比,并基于现场沉陷观测数据对模型进行了验证。新模型方法结合力学模型计算得出开采沉陷预计参数,可以针对上覆岩层的力学参数对所得预测数据给出合理的力学解释,摆脱了经典预计模型概率积分法只依靠统计方法预测结果的缺陷,可为深部安全开采和地表沉陷的预测与控制,提供可靠的科学依据     

双系煤层开采相互影响下的覆岩运动与破坏规律分析

以大同矿区同忻煤矿为例,利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟,分析双系煤层开采形成的覆岩运动与破坏规律。研究结果表明：（1）石炭二叠系煤层工作面推进至193 m时,覆岩裂隙带发育高度达到最大为174.7 m;（2）物理探测得到3-5^#煤层开采引起的覆岩垮裂带高度约为180 m,综合理论计算与现场实测,确定覆岩裂隙带发育高度与采厚之比为11.7-12.0;（3）侏罗系煤层开采引起的底板破坏及双系间覆岩软弱夹层的缺失为双系煤层采空区联通进一步提供了条件;（4）侏罗系煤层的开采影响石炭二叠系煤层工作面超前支承压力的分布规律,当石炭系煤层工作面位于侏罗系煤层遗留煤柱下方时,超前支撑压力较无采空区时增大12.4%;（5）研究成果揭示了双系开采相互影响关系,为采取安全开采措施、减弱双系开采相互影响程度提供了科学依据。     

综放开采特厚煤层采场底板破坏规律研究

高承压水体上采煤将引起底板扰动破坏,从而使有效隔水层厚度变薄,增大了底板突水风险系数,对目标层位注浆改造是行之有效的治理措施,但在底板破坏范围内注浆将造成浆液的大量浪费且影响治理效果。因此,开展煤层底板破坏深度及规律研究显得尤为重要。基于此,以山西榆树坡煤矿5105工作面为研究对象,采用钻孔应力–应变技术在进风巷道布置7条测线、91台传感器开展采前、采中和采后4个月的连续监测,获得三位一体“空间?时间”全方位底板扰动破坏数据并分析规律,为底板注浆治理方案制定提供了重要的技术参数。结果表明:底板破坏深度起始点距工作面24.2 m,最大破坏深度距工作面垂距28 m、平距21.3 m,底板破坏深度拟合形态符合塑性滑移规律,研究成果为类似工况下底板破坏深度规律研究提供科学依据。      

煤层裂缝的声波扫描成像测量

煤层中的裂缝是煤层气勘探和开发的重要参数。利用声波扫描图像可以观察出煤层中的裂缝发育程度、裂缝的产状,并可以分析出裂缝产生的力学性质,给煤层气储层的综合评价提供依据。      

宁夏羊场湾煤矿浅埋煤层开采地面塌陷发育规律及形成机理

以宁夏羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象,采用无人机遥感技术、野外调查与有限差分软件模拟方法研究浅埋煤层开采的地面塌陷类型、发育规律及其形成机理。(1)浅埋煤层开采地面塌陷以地表裂缝发育为主,地表破坏严重。(2)平行切眼裂缝间隔性出现,展布于整个工作面内,间隔距离为10～120m,局部裂缝形成错台高度约为15cm。平行顺槽裂缝为拉张型裂缝,发育在顺槽至外围一定范围。(3)采煤活动导致地下形成采空区,上覆岩层发生移动破坏,破坏区分为剪切破坏区、拉张破坏区及剪-拉破坏区,分别对压应力区、拉应力区和压-拉转化区。(4)当应力扰动传递至地表,应力值超过覆盖层抗拉强度时地表产生裂缝。随着工作面推进,覆岩内部裂缝带上行裂缝与地表下行裂缝贯通,形成错台。研究成果丰富了该区浅埋煤层的地面塌陷理论知识,为地面塌陷防治提供了理论依据。     

典型浅埋煤层长壁开采覆岩采动响应与控制研究

为了进一步完善典型浅埋煤层长壁开采覆岩运动与控制理论,以神东矿区22616工作面为工程背景,采用试验模拟、理论分析与现场应用相结合的方法,研究典型浅埋煤层长壁开采老顶破断特征及地表砂土层载荷传递效应,提出采场支架合理工作阻力计算方法,并成功应用于工程实践。研究结果表明:浅埋采场老顶滑落失稳瞬间,动载显现剧烈,覆岩台阶下沉明显,砂土柱间的摩擦作用导致地表砂土层载荷存在一定的传递效应,并非以其全部自重作用于基岩老顶。基于这一特性,引入岩柱法修正老顶结构经典力学模型参数,改进浅埋采场来压顶板支护力数学模型。理论计算采场初次来压控顶支架最大工作阻力为10 506.8 kN/架,周期来压控顶支架最大工作阻力为7 475.26 kN/架,均与现场观测数据较为吻合,采场ZY11000/24/50型液压支架刚好满足控顶要求,保障了工作面安全、高效开采,为典型浅埋煤层长壁开采工作面支架工作阻力确定及选型提供了重要参考。     

基于断裂力学的特厚煤层综放开采顶板破断规律研究

针对特厚煤层综放开采过程中矿压显现剧烈支架工作阻力难以确定的问题,结合特厚煤层工作面顶板岩层破断形成的悬臂梁-砌体梁力学结构模型。工作面来压阶段支架工作阻力不足时,引起砌体梁结构下沉使悬臂梁结构回转变形破断,造成上覆砌体梁结构滑落失稳压架使工作面矿压显现剧烈的特点,建立了含中心斜裂纹的悬臂梁结构破断的力学模型,应用断裂力学理论,分析了悬臂梁破断失稳的影响因素,推导了支架荷载的表达式。结果表明：裂纹倾角和长度是悬臂梁破断失稳的主要影响因素;支架荷载除与悬臂梁自身因素有关外,还与砌体梁垮落步距等因素相关。结合塔山煤矿8102综采工作面地质条件,计算了支架荷载的理论值,验证了理论分析的合理性。理论研究成果对于分析特厚煤层开采时的支架荷载的大小,合理选择支架减少顶板事故具有一定的工程实际意义。     

Water inrush and environmental impact of shallow seam mining

Shallow seam mining is very common in China for enhancing coal recovery. However, this may cause a series of severe problems in environment and mining safety in some cases, because the alluvium aquifers are directly above the shallow coal seams. Some typical water and sand inrush incidents resulting from shallow mining in China are analyzed. Based on in-situ observation, the mining-induced strata failures are investigated. The height of the fractured zone decreases as the size of the outcrop pillar or mining depth decreases. The spatial distributions of the failure zones in the shallow mining have specific features compared to the deep mining. These provide an advantageous condition for the shallow mining under alluvial aquifers. Optimal designs for outcrop pillar sizes are also given in different hydrogeological conditions for environment friendly and production-safe mining at shallow depths. According to in-situ mining experiments in several coalfields, technical measures for shallow mining are presented. These primarily include the lift mining for thick seams and reduction of the thickness of extraction in the first lift, short-wall mining, and detection of faults and other potential hazards prior to mining.     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。