水下开采覆岩破坏及导水特征研究

采用离散元程序对天祝煤矿多工作面水下开采后覆岩应力变化、地层移动破坏、导水裂隙带发育和演化随开采过程的规律进行研究,揭示了不同时期地表水系与地下开采间的相互影响。指出3229工作面开采时金沙河水沿裂隙道水带汇集与采区上方围岩,虽不会直接威胁采区生产安全,但随着采掘区向金沙河底靠近,潜在突水危险逐渐加剧,特别是对33201工作面的开采构成直接威胁,必须提前对金沙河水采取必要防渗措施以防止突水事故的发生。     

大断层采动“活化”导水特性研究

煤层回采引起的断层“活化”导水是矿井突水的一种重要形式,具有很高的危险性和隐敝性。依托具体的工程背景,建立简化的力学模型和数值模型,根据弹塑性力学和裂隙介质水动力学理论分析不同推进距离时断层面上的主应力和法向应力变化情况,并通过模拟计算得出回采过程中应力变化与塑性破坏特征。研究结果表明,新集矿区F10大型断层在煤层推进至距断层20 m位置时开始有“活化”趋势,断层带岩体位移值陡增到005 m,距10 m时断层面主应力急剧增大,峰值应力向浅部转移,断层带发生明显位移,孔裂隙扩张。为保证生产安全,需预设30 m防水煤柱,避免煤岩体突水通道沟通主干断层及承压含水层,该研究成果可为矿井生产提供一定的参考价值。     

PCA-BP神经网络模型预测导水裂隙带高度

导水裂隙带高度的预测对煤矿安全开采有重要意义,而传统回归方法未考虑因素间相关系数对预测结果的影响。选取采深、煤层倾角、煤层厚度、煤层硬度、岩层结构、顶板岩石单轴抗压强度、开采厚度和采空区斜长作为预测导水裂隙带高度的影响因素,建立基于PCA-BP神经网络的导水裂隙带高度预测模型。测试结果表明,煤层厚度对导水裂隙带高度的影响最大,其余各因素对导水裂隙带高度的影响较大,采深和开采厚度对导水裂隙带高度的影响较小;PCA-BP神经网络模型的训练速度和预测效果均优于BP神经网络模型,且最大预测误差仅为5.58%。     

倾斜煤层矿井突水对防水煤柱稳定性的影响规律分析

针对倾斜煤层防水煤柱合理尺寸留设问题,以道清煤矿淹井事故为原型,采用理论解析分析与数值计算相结合的对比分析方法,研究矿井突水对防水煤柱的稳定性影响,得到在矿山压力作用与水压作用下防水煤柱的极限设计尺寸优化公式,结合道清煤矿生产实际得到防水煤柱尺寸,通过数值模拟分析对比验证防水煤柱尺寸的合理性,并探究了防水煤柱的破裂过程。结果表明,煤体受采动应力影响,应力状态重新分布,煤体由弹性状态转变为塑性状态,产生塑性形变,强度逐渐降低,当压力增大达到其强度极限时,煤体内部出现裂纹,裂纹逐步扩展靠近防水煤柱,形成裂纹带,随着时间的累积,防水煤柱的强度逐渐降低,塑性变形区逐步向弹性核区移动,矿井涌水后,煤体裂隙导通充满大量孔隙水,在水压作用下,新生裂纹及原生裂纹进一步扩展,裂纹的张开度不断增大,最终形成导水裂纹带,使得防水煤柱发生严重破坏,煤体的破坏形式以拉剪破坏为主,煤层沿倾向发生相对位移,表现出剪涨变形,煤体出现剪切带。     

汶南煤矿成功应用复合顶板超前逮顶支护技术

山东新汶矿业集团汶南煤矿创新采用复合顶板大直径锥体钻头超前逮顶支护技术,实现了复合顶板、裂隙发育顶板的超前支护。     

大淑村矿东翼大巷变形机理与治理措施研究

针对大淑村矿东翼大巷变形破坏严重的问题,通过围岩性质测试和钻孔监测分析,表明巷道围岩属遇水膨胀软岩,强度较低,围岩内生裂隙和构造裂隙发育情况比较严重,松动范围比较大.在此基础上,研究了大巷变形破坏机理,提出了无保护性煤柱、组合支护巷道、预加固技术稳定破碎顶板等治理措施.工程实践表明,巷道变形在允许范围之内.     

复合顶板综放面覆岩破坏及裂隙演化相似模拟试验

煤层回采过程中,覆岩破坏特征以及裂隙演化规律对于矿井水、瓦斯防治具有重要意义。采用相似模拟试验对某煤矿复合顶板大采高综放工作面覆岩破坏及裂隙演化规律进行研究。研究结果表明:复合顶板大采高综放开采垮落带高度为32.6m,裂隙带高度为64.6m;煤层回采过程中对顶板覆岩支承压力的影响,近煤层大,远煤层小;覆岩采动裂隙倾角以中角度,宽度以中宽度为主,且裂隙数量随着远离煤层而逐渐减少;采动过程中,近距离煤层覆岩为采动裂隙聚集区,覆岩裂隙密度曲线呈现为"波浪"型。     

综合物探技术在矿井工作面底板含水构造探测中的应用

为了查明汾源煤业文明矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况,并对其进行突水危险性区域划分及评价,采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探,综合分析三种物探方法探查结果,并结合揭露情况和钻孔验证。结果表明:位于切眼往外(0~250)m范围内,工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强,导高大,且煤层内部较不均匀,存在多条5m以上落差含水断裂破碎带,此区域突水危险性最大;切眼往外(300~380)m范围内存在局部富水区域,导高较小,但不存在构造破碎带,突水可能性较小;工作面其他区域都较安全。综合物探比单一物探更具有准确性和可靠性,更符合工程实际情况,为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。     

叠加应力作用下急倾斜煤层区段防水煤柱留设研究

以急倾斜开采防水隔离煤柱留设为工程背景,采用理论分析和数值模拟作为主要手段,对急倾斜煤层上部覆岩运动规律进行了研究,认为煤层开采过后上覆岩层运动与水平煤层有较大差异,呈现岩层运动不对称垮落,煤柱裂隙发育度应该为左高右低,急倾斜煤层隔水煤柱上部塑性区宽度大于下部塑性区宽度,呈非对称分布。通过数值模拟得出,35 m保护煤柱下,上工作面裂隙发育高度大于下工作面,两工作面断裂拱发育不对称;煤柱中间区域位移量较小,可以满足生产要求;煤柱在上下两工作面作用下,压力峰值较高,达到18 MPa,上工作面靠近煤柱侧压力也较高,整个支承压力曲线呈现多个波峰波谷。     

朝克乌拉煤矿承压含水层下2煤安全开采研究

针对新建朝克乌拉煤矿承压水下安全开采问题,通过相似材料模拟实验,分析并得出了朝克乌拉煤矿2煤不同开采厚度下的"三带"发展形态和垮落带、导水裂隙带厚度。经与"三下"开采规程等经验公式计算作对比分析,结果表明,相似试验和经验公式预测2煤开采导水裂隙带高度的吻合性较好,确定"裂采比"为11.0。据此控制开采高度,以有效控制导水裂隙带发育高度,指导并实现承压水下煤层的安全开采。     

QGA-RFR模型在导水裂隙带高度预测中的应用

为准确预测矿井顶板导水裂隙带高度,用随机森林回归算法(RFR)筛选出开采工作面导水裂隙带高度主要影响因素;借助量子遗传算法(QGA)优化RFR中分裂属性特征值和决策树棵数2个关键参数,建立基于QGA-RFR的导水裂隙带高度预测模型;将实测的124组导水裂隙带相关数据代入模型进行训练和预测,并将预测结果与GA-RFR、RFR、BP和支持向量机(SVM)等模型预测结果对比。结果表明:QGA-RFR模型的最优参数组合为(5,350),该参数下模型预测误差值仅为0.113 8;与GA-RFR、RFR、BP和SVM等模型相比,QGA-RFR模型具有更小的平均绝对百分比误差值(0.037 63)、均方根误差值(2.129)和最大相对误差值(0.055 06),验证了QGA-RFR模型的拟合效果更优。     

腾晖煤业采空区顶板超长定向钻孔模拟与应用研究

基于采动裂隙椭抛带理论提出顶板超长定向钻孔治理技术,通过理论推导、数值模拟、现场应用相结合的方法对腾晖煤业2-100放顶煤工作面顶板超长定向钻孔的合理距离及合理层位进行研究。研究结果表明:1~5号顶板超长定向钻孔内错回风巷的合理距离为20~40 m;钻孔的合理终孔层位依次为60,60,60,61和63 m。顶板初次垮落后,顶板超长定向钻孔开始发挥作用,单孔的瓦斯抽采纯量随着工作面推进开始呈周期性变化,当顶板岩层发生周期性垮落时,钻孔瓦斯抽采纯量开始急剧升高;抽采纯量达到的最大值分别为13.88 ,13.92 ,13.96,14.24 和14.32 m3/min;顶板超长定向钻孔抽采期间,上隅角瓦斯浓度与回风流瓦斯浓度呈周期性变化趋势,上隅角瓦斯浓度为0.32%~0.8%,整个过程中上隅角瓦斯浓度均在可控范围内。顶板超长定向钻孔治理技术可有效解决放顶煤工作面采空区的瓦斯治理难题。     

熵权属性测度理论在导水裂隙带高度预测中的应用

确定导水裂隙带高度是水下开采防水煤岩柱尺寸设计的关键。结合导水裂隙带形成机理和分布形态,选取采场采深、采厚、煤层倾角、覆岩单轴抗压强度和工作面斜长五个主要影响因素作为导水裂隙带高度的判别指标。利用24组样本数据,构建导水裂隙带高度的熵权属性测度预测模型。为检验模型的有效性,将其用于预测丁集煤矿1262(1)工作面导水裂隙带高度,结果为66.03m,与采用Midas/GTS-Flac3D耦合模拟得出64.63m的结论非常接近。研究结果表明,熵权属性测度模型预测的相对误差较小,可以在工程实际中推广应用。     

煤炭地下气化燃空区覆岩移动规律研究

为研究煤炭地下气化过程中覆岩的运移规律,以乌兰察布煤炭地下气化试验区工程地质条件为研究背景,首先进行了高温下煤层顶板的物理力学特性测试,获得了不同温度下岩体(粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩)的比热容、导热系数、单轴抗压强度及弹性模量;其次建立了相似材料物理模型,分析了燃空区覆岩运移规律。结果表明:在100~1 000℃内,随温度升高比热容及导热系数呈现下降趋势,而在100~750℃内,随温度升高单轴抗压强度呈现增大趋势;乌兰察布煤层气化时,覆岩运移规律与井工开采类似,具有初次来压及周期来压特征,初次来压步距为42 m;亦存在明显的三带分布,即冒落带、垮落带和弯曲下沉带,导水裂隙带高度为28 m;覆岩运移过程中对燃气管亦产生较大的影响,其中1#燃气管在煤层顶板上方26~28 m处受到的水平应力最大,为最易变形断裂位置;在现场用钻孔探测法进行验证,得出导水裂隙带的高度为31.21 m,与相似模拟试验得出的数据吻合,证明了相似材料物理模型的合理性。     

断层带边界岩体采动应力特征相似材料模拟研究

为了研究断层带边界岩体的采动应力特征,以龙东煤矿F张断层两侧岩体地层为原型,建立了断层带相似材料模型,对煤柱缩小过程中,近断层带煤层底板采动应力特征及断层带两侧岩体应力变化规律进行了跟踪监测。研究结果表明:随着工作面的推进,超前支撑应力在煤层底板下30m处,反应最为明显;当煤柱宽度减小至30m时,底板集中应力达到最大值为127.64kPa,应力集中系数2.8;煤柱宽度20m时,煤层底板深部近断层带附近开始明显卸压,同时断层带两侧应力变化出现明显差异,显示出断层带对应力传递的影响,上下盘表现出不同的采动特征,容易造成断层的"活化",研究结果可为断层煤柱的合理留设和巷道布置提供依据和参考。     

极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究*

为深入研究极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律,采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析袁店一矿824工作面覆岩“两带”的裂隙演化特征。结果表明:从岩层层向拉伸率角度,研究上覆岩层垮落带和导水裂隙带的垮落程度,考虑角度影响推导出岩层弯曲下沉边缘段变形前后的长度计算公式,根据覆岩的碎胀特征计算各岩层的最大下沉量,预测垮落带和裂隙带的范围分别为30.2~41.2 m和70.7~78.2 m;采用3DEC数值模拟分析该矿824工作面开挖后上覆岩层垮落的基本形态和裂隙分布规律,结合其应力、位移云图和监测线位移曲线的分布特征,得出垮落带和裂隙带的高度分别为32.50 m和77.25 m;采用分布式光纤应变监测系统,监测工作面前方80 m处上部顶板的受力情况,得出受采动影响的光纤应变呈起伏变化,且应变分布与地层岩性存在对应关系,得出垮落带高度约30.4 m,裂隙带高度约74.8 m,验证采用层向拉伸率和覆岩碎胀性2个方面来预测工作面覆岩“两带”高度的合理性,可为类似方面的研究与施工提供相应的技术依据。     

应用瞬变电磁法防治煤矿顶板砂岩水的实践

研究了华北型煤田顶板砂岩的赋水规律,总结出顶板砂岩水的综合防治方法。应用瞬变电磁法探测某煤矿顶板岩层发育的含(导)水构造,为安全生产工作提供了技术指导。     

榆阳煤矿2301工作面导水裂隙带高度的数值模拟

在分析榆阳煤矿覆岩赋存特征的基础上,建立了采动岩体力学模型,利用有限差分程序(FLAC)对采动引起的覆岩破坏进行了数值模拟,得出了导水裂隙带发育高度最大值为50m；采用WSD-2数字声波仪测定岩样的物理力学性能,分析得知覆岩中泥岩强度大于砂岩,且抗压与抗拉强度的比值较高,使得岩层呈脆性材料特征,对导水裂隙带的发育有利,这样给保水开采增加了难度.     

常见巷道顶板事故的防治

常见巷道顶板事故的原因分析 1.镶嵌型围岩冒落事故 (1)开工前或放炮后,在无支护的空顶区,敲帮问顶制度执行不好,危碴活矸处理不及时不彻底,对隐性镶嵌型顶板未发现或未及时采取有效措施。 (2)空顶面积、空顶距离超过作业规程规定,裂隙发育,未采取缩小棚距、加强支护等有效措施。     

薄基岩厚松散含水层下综放开采安全性研究

为研究薄基岩厚松散层含水层下综放开采的安全性,通过对赵家寨煤矿12采区东翼松散层地质特征分析,将其分为"一隔三含",并揭露其厚度和结构分布特征对煤炭开采的影响。采用经验公式计算不同采高下导水裂隙带高度,并建立UDEC数值模型模拟分析开采过程中上覆岩层变形破坏规律。基于导水裂隙带高度经验公式计算、数值模拟结果和相关实测资料,并结合12采区东翼的地质特征,引入"导水裂隙带高度调整系数n"概念,提出并验证该区域的导水裂隙带高度计算公式。结果表明,12采区东翼大部分区域可疏干新近系下部含水层后开采,研究内容可减小防水煤岩柱高度,提高煤炭采出率。