程潮铁矿区采动影响生态风险空间分异研究

基于风险源影响度、生态脆弱度和生态损失度建立矿区生态风险空间评价模型,厘清了矿区生态风险的内在本质。借助采动破坏相关理论中崩落带、移动带和保护带的划分来表征地下采动对地表生态受体的影响,并制定了生态脆弱度和损失度表征方法,为地下采动生态风险评估提供了一条值得参考的途径。程潮铁矿实证研究表明,评价结果符合矿区实际情况,对矿区生态风险防范具有一定指导意义。     

“金属矿山采空区地质危险源超前预报及监测预警技术研究”获2013年度“神华杯”中国职业安全健康协会科学技术奖二等奖

金属矿山采空区地质危险源超前预报及监测预警技术研究项目由中国安全生产科学研究院和中国五矿集团公司共同合作完成。该项目研究内容：（1）金属矿山采空区危险源地质超前预报技术研究。（2）矿山采空区风险分级管理技术研究。（3）采空区动力灾害监测、预警技术。（4）技术成果应用。技术特点：（1）提出了一整套基于地质超前预报技术精确探测采空区风险辨识及控制流程;（2）建立了包括基于探测技术和数值模拟技术的金属采空区风险评价体系;（3）提出了五矿集团采空区风险分级管理技术;（4）研制了采空区围岩应力锚杆在线监测预警系统;（5）提出了合成孔径雷达对地表移动监测预警技术方法。应用推广情况：（1）在五矿邯邢矿业有限公司符山铁矿应用,治理了黑铁峧尾矿库下伏采空区重大安全隐患,保证了黑铁峧尾矿库下游的村庄、厂房等的生命和财产安全。（2）通过一整套采空区精确探测流程,查明了西石门铁矿区周边不明采空区分布情况,为矿区深部开拓工程提供了基础数据,节省了钻探费用396万元／年,解放了价值2亿元的资源。（3）避免了五矿集团所属33家矿山采空灾害的发生和在复杂采空区环境下进行安全开采,产生了200多万的直接经济,同时也使得近4亿元的资源得以开发利用。     

变“采空区”为“安全区”——“金属矿山安全规划与采空区探测技术研究”介绍

我国80%的地下金属矿山存在采空塌陷灾害,每年造成的损失达4亿元以上。城市的建设用地都存在隐伏空区的危害,形成了矿业城市＂塌陷—搬迁—再塌陷—再搬迁＂的恶性循环。大量未知采空区使矿山生产环境恶化,采空区透水、垮塌灾害危害矿工生命。如何变＂采空区＂为＂安全区＂,是采空区灾害高发型金属矿山的重大难题。中国安科院进行的＂高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术＂研究是解决这一难题的核心。     

采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟

采空区"竖三带"的确定,是合理设计高抽巷布置层位和确定高位钻孔终孔位置的前提。依据王庄矿提供的地质资料,结合实验室测得的煤层顶底板岩石力学参数,采用岩石质量评分法,计算得到各岩层合理的节理间距及岩体力学参数,并将其应用于CDEM软件中,对王庄矿8101工作面采动岩层进行数值模拟,分析了煤层开采过程中上覆岩层破断与冒落规律,并得出采空区"竖三带"的分布范围:采空区冒落带范围为0~25 m,裂隙带范围为25~65 m。将数值模拟结果与经验公式的计算结果、现场高位钻孔考察结果进行比较,结果表明:3种方法得到的冒落带范围基本一致,为0~25 m;经验公式计算得到的裂隙带高度较另外两种方法得到的结果小;数值模拟得到的"竖三带"高度更符合实际情况。同时也验证了CDEM软件在采空区上覆岩层运动的适用性。     

金属矿山采空区灾害防治技术研究综述

我国是世界上金属矿生产第一大国,有一万多座地下金属矿山,每年采出20多亿吨矿石,使得采空区问题日益严重。通过系统性地开展采空区灾害基础理论研究,明确了采空区和采空区群的定义,提出了采空区的类型和等别划分依据。针对采空区引发的地压灾害、水害和内因火灾,从探测预报、风险评估、状态监测和隐患治理四个方面,梳理了当前研究进展,介绍了典型关键技术和部分成果,归纳建立了以采空区灾害防治为核心的知识体系,展望了今后的研究方向和技术重点。     

基于模糊物元的采空区稳定性评价研究

为准确评价地下矿山采空区的稳定性,通过分析采空区稳定性的影响因素,确定采空区的地质、水文、环境及几何参数为采空区稳定性的主要影响因素,建立采空区稳定性评价指标体系。采用综合集成赋权法确定评价指标综合权重,结合模糊物元理论,构建采空区稳定性模糊物元评价模型,用关联度表示评价结果。某地下金属矿山采空区稳定性综合评价结果表明,该方法可用于地下采空区的稳定性分析。     

工作面回采诱发多断层活化对地表建筑物的影响分析

为了研究工作面回采诱发多断层活化对附近村庄内民房的影响,结合杨河煤矿地质采矿条件及裴沟村的地理位置,通过现场调查民房破坏情况划分了建筑物的采动损坏等级,证明了利用岩层边界角计算由断层活化引起的采动影响范围的不合理性;分析村庄内的地表移动破坏特征确定了断层活化的事实;运用FLAC3D数值模拟揭示了断层活化地表移动变形的特点;综合以上研究,提出了由断层活化造成民房损害的鉴定方法。结果表明:多断层活化具有多米诺骨牌效应,工作面回采产生的破坏,在断层之间依次传递,扩大了开采沉降的范围,增加了受损民房的数目;断层活化的地表倾斜值并非随着远离采空区边界逐渐减小,而是先减小,后增大,造成部分民房破坏加剧;提出以地表移动破坏特征判断断层是否活化、数值模拟确定采动影响范围、民房损害等级划分确定民房受损数目的鉴定方法。     

综采面动态注氮作用下采空区“三带”分布及防灭火技术研究

刘庄矿171101工作面邻近停产线,为防止遗煤自燃,采用动态注氮方式向采空区注氮。为了确定停采后注氮口和灌浆口的合理位置,利用热电偶和束管对采空区内一定范围内气体和温度进行实测,根据温度、CO、CO2分布规律并结合MIN-MAX方法综合划分出采空区"三带"范围。实践证明,以该方法确定的注氮口和灌浆口的位置能够更好地抑制遗煤的自燃,为其他类似停采线附近防灭火提供了参考价值。     

基于临空面特征的采动斜坡变形破坏规律研究

西南山区采动斜坡变形失稳灾害频发,复杂的地质环境条件导致岩质采动斜坡变形破坏规律复杂。而高陡临空地形是西南山区采动斜坡具有的显著特征,研究临空面影响采动斜坡变形破坏规律对于山区采动地质早期识别具有重要意义。以贵州都匀煤洞坡变形体为例,构建了采动斜坡工程地质模型,通过数值试验分析了有无临空面及不同临空面坡度条件下的斜坡变形破坏规律。结果表明:有临空面的采动斜坡岩层会同时发生朝向采空区和临空面的拉裂变形,距离坡表近的煤层开采对斜坡坡顶变形影响较大,煤洞坡斜坡坡顶大裂缝与下方的A4煤层开采直接相关;而无临空面的斜坡变形破坏范围局限在采空区覆岩,覆岩冒落范围和变形开裂程度也小于有临空面的采动斜坡。有临空面采动斜坡水平位移和范围明显大于无临空面的斜坡,而斜坡下沉位移受临空面影响较小,但受重复采动影响较大。同时随斜坡临空面坡度增加,靠近临空面区域的覆岩水平位移会加剧;随临空面坡度增大,采空区覆岩朝向临空面及采空区方向拉裂变形范围和程度也逐渐增大。临空面增大了山区采动斜坡水平移动范围和斜坡开裂程度,临空面具有变形"增大效应"。     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。     

采空区多孔介质空隙率与渗透特性三维空间动态分布模型*

为揭示采空区垮落后堆积体及上覆岩层空隙率与渗透率三维空间的动态分布规律，基于开采空间守恒理论，构建采空区的空隙率与渗透率三维空间动态分布模型。利用该模型，得出不同空间位置与不同开采结束时间下空隙率和渗透率分布图。结果表明:采空区垮落岩体的空隙率和渗透率在水平方向呈“凹”状分布，采空区两侧巷道附近空隙率和渗透率较大，中部较小；在垂直方向随着与底板距离的增大，空隙率和渗透率大幅度减小。该模型描述了采空区多孔介质空隙率与渗透特性三维空间分布随时间逐步压密实的过程，可为煤矿瓦斯预测与防治提供一定的借鉴和参考。     

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点，以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景，采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法，对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程，这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点；得到工作面初次来压步距为34 m，基本顶周期来压步距15 m，来压由中部开始向两端转移；工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m，应力峰值平均为26 MPa，工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构，研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

水溶法采盐矿区地面塌陷机理分析

为了防范钻井水溶法开采盐矿诱发卤水溢出、地面塌陷等愈发严重的地质环境和公共安全问题,本文以安徽省定远县东兴盐矿为例,对采空区地面塌陷灾害机理进行了深入研究.根据岩盐矿体的埋藏条件和采空区地面塌陷的过程,结合帕斯卡定律讨论了盐矿采空区顶板岩层保持稳定的前提,是必须保持采空区密闭为基本条件;通过尖点突变模型给出的顶板岩层大变形失稳突变条件,是采空区的封闭性遭受破坏、卤水外溢导致顶板岩层失去支撑;根据ЛротодъякоНов塌落拱理论等方法估算了采空区顶板岩层失稳对地面的影响程度,提出了对开采盐矿诱发地面塌陷灾害的防范措施,对其它地区同类矿山安全开采具有重要的指导意义.     

露天矿山隐伏盲空区精确探测及爆破优化设计

隐伏盲空区是严重威胁露天矿山正常采矿作业的安全隐患,应予以探明并处置。针对露天矿隐伏盲空区探测难度大、崩落处置爆破设计精度差等问题,以白马铁矿1号溜井盲空区为例,首先基于矿山历史资料,利用钻探手段,初步圈定盲空区异常分布范围;然后运用钻孔激光扫描设备进行三维精确扫描,获得盲空区塌腔三维形态和真实边界,并以实测数据为基础,利用逆向建模方法,构建盲空区三维可视化模型;最后根据盲空区的三维空间特征和分布条件,进行爆破分区及参数优化设计。结果表明:采用钻探圈定结合三维激光精确扫描建模的综合探测方法,可获得露天矿山盲空区的可靠信息,准确掌握盲空区垮塌现状,进而为制定更为精准的爆破设计方案提供重要依据,最终达到消除盲空区的目的。研究结果对保障矿山安全生产具有重要意义,同时可为类似工程提供有益参考。     

某钨矿采空区安全隐患治理研究

我国的钨矿主要分布在中南地区。由于开采年代较为久远,开采矿脉数目较多,形成了大量的采空区群,存在极大的安全隐患。通过现场调研,分析影响采空区稳定性的因素,并通过建立计算模型,采用数值模拟的方式,对某钨矿的采空区安全隐患治理进行研究,并给出处理意见及建议。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征，采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征，模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征，与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应；微震事件的分布在时间和空间上具有一致性；动载下顶板破坏程度大于底板及两帮；动载扩大了巷道围岩塑性区范围，改变了围岩的受力状态，增大了围岩的变形量与支护体的受力；通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化，现场监测数据表明，优化后支护方案保证了围岩的完整性，限制了围岩的变形，减小了锚杆受力，能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形，对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

采空区瓦斯涌出的回采速度效应分析

为了深入了解煤层开采时工作面回采速度对采空区瓦斯涌出的影响,提高矿井采空区瓦斯治理能力,保障矿井安全生产,通过建立数学模型并采用COMSOL有限元分析软件建立不同回采速度采空区瓦斯涌出模型,开展数值模拟试验,研究不同回采速度下采空区瓦斯涌出规律及分布情况。结果表明:不同回采速度下采空区相同深度的瓦斯浓度呈梯度增长;通过对现场采空区回采速度数据进行归类平均后,降低其他因素对采空区瓦斯涌出的影响后,采空区瓦斯涌出量与回采速度线性相关性从0.60提高至0.94,表明回采速度越快,采空区瓦斯涌出速度越快,采空区瓦斯涌出量越大。研究结果揭示了煤层开采过程中回采速度对采空区瓦斯涌出的影响规律,为现场优化回采速度及抽采参数提供了理论指导。     

华丰矿冲击地压危险性预测及区域防治技术研究

针对华丰矿巨厚砾岩断裂会对采场造成冲击地压灾害且冲击地压主要发生在1411工作面回风巷的现象展开研究，并采用区域动力规划方法对巨厚砺岩断裂进行划分。通过分析围岩应变与应力的关系，提出工作面采用错层位内错式巷道布置形式的方案。同时，由于巷道布置形式的优化造成覆岩离层分区发生变化，为进一步通过控制砾岩的断裂运动降低发生冲击地压的危险性，提出覆岩离层注浆的新技术。工程实践表明:采用新方案后1411工作面回风巷上方为上区段采空区垮落的矸石，吸收了绝大部分砾岩断裂产生的能量，改变了1411工作面回风巷发生冲击地压的现象。从注浆效果来看，有效控制了砾岩运动及其引起的地表下沉，大幅度节省了注浆钻孔工程量。