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浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

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煤炭科学技术 2024年第9期52卷 19-30页

作者：吴群英胡俭刘凯李杨谢晓深张德生陕西有色金属控股集团有限责任公司陕西西安710075 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司陕西榆林719316 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中煤科工开采研究院有限公司智能开采装备分院北京100013 西安科技大学能源学院陕西西安710054

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难... 详细信息

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术。研究结果如下:(1)揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的“薄、中、厚”煤层交错分布协调开采技术;(2)提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;(3)通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝“土壤重构–原位充填–微地形改造”组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷。上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑。

关键词：浅埋多煤层高强度开采层间扰动智能化装备地表沉陷

浅埋煤层过沟开采覆岩破坏特征及裂隙演化规律研究

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煤炭科学技术 2021年第10期49卷 185-192页

作者：侯恩科陈育车晓阳谢晓深高彬西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司陕西神木719316

浅埋煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征是影响矿井涌水有关系,尤其在地表沟谷区,由于剥蚀作用使煤层埋深减小,为了研究清楚浅埋煤层过沟开采时,上覆岩层的扰动破坏规律与裂隙发育特征,以榆神矿区张家峁煤矿14213工作面的过沟段为研究对象... 详细信息

浅埋煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征是影响矿井涌水有关系,尤其在地表沟谷区,由于剥蚀作用使煤层埋深减小,为了研究清楚浅埋煤层过沟开采时,上覆岩层的扰动破坏规律与裂隙发育特征,以榆神矿区张家峁煤矿14213工作面的过沟段为研究对象,通过相似材料物理模拟与数值模拟的方法,对覆岩的破坏规律及裂隙发育特征进行了研究。结果表明,煤层开采过程中,顶板覆岩会伴随产生层间离层与切穿岩层的垂向裂隙,回采至60 m时,煤层顶板悬露面积达到极限发生垮落,原有层间离层伴随垮落消失,新出现的层间离层继续向上发展,离层空间与垂向裂隙交替发育,回采至105 m时,垂向裂隙导通至地表,离层结构完全破坏,岩层发生整体下沉。裂缝的动态发育规律是:斜坡裂缝的宽度随着开挖的进行由小变大并趋于稳定,坡脚裂缝的宽度则是由小变大、再变小至闭合,沟底裂缝的宽度由小变大再变小的趋势。地表裂缝的这种演化规律主要与地形和地表应力状态有关。坡肩和斜坡上部,采动裂缝形成后受斜坡拉应力的影响而宽度增大;坡脚采动裂缝形成后受坡脚压应力的影响而宽度变小甚至闭合;沟底采动裂缝形成后受压应力和坡段岩块压实调整宽度变小。

关键词：浅埋煤层覆岩破坏地表裂缝演化过沟开采

基于深度学习的地震多属性融合技术在导水裂隙带探测中的应用

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煤炭学报 2021年第10期46卷 3234-3244页

作者：袁峰申涛谢晓深马丽汶小岗自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710026 陕西省煤田物探测绘有限公司陕西西安710005 陕西省地质调查院陕西西安710065 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

导水裂隙带发育高度是“保水采煤”的基础参数,准确揭示导水裂隙带发育规律有助于实现保水开采。三维地震技术具有数据横向连续、纵向分辨率较高的特点,在一定程度上能够弥补钻孔资料的不足。为了研究陕北某煤矿不同开采阶段导水裂隙带... 详细信息

导水裂隙带发育高度是“保水采煤”的基础参数,准确揭示导水裂隙带发育规律有助于实现保水开采。三维地震技术具有数据横向连续、纵向分辨率较高的特点,在一定程度上能够弥补钻孔资料的不足。为了研究陕北某煤矿不同开采阶段导水裂隙带发育范围及其演化规律,以该矿30101,30102工作面为研究对象,采用以漏失量为监督数据的深度前馈神经网络方法融合多种地震属性对研究区分层开采全垮落式采动损害导水裂隙带发育高度进行探测。首先,在钻孔冲洗液漏失量观测数据分析的基础上,优选地震属性,并进行有监督的深度学习;然后,融合多种属性信息建立裂隙模型,利用裂隙模型分析确定采动覆岩结构破坏和导水裂隙带的三维空间范围、形态特征、垂向岩石破坏程度及导水裂隙带发育高度;最后,通过分析2个工作面的开采时间差异,揭示导水裂隙的发育、闭合规律。研究表明30101工作面断裂带发育最大高度为120 m,30102工作面断裂带发育最大高度为133 m,以高角度裂隙为主,主要沿垂直、平行工作面方向发育。导水裂隙带的裂隙发育是先增大后降低,断裂带上部裂隙闭合较好,断裂带下部和工作面边缘裂隙闭合较差,采动后18个月裂隙比采动后4个月减少了21%,离层裂隙减少了50%。通过本次研究认为基于深度学习的地震属性融合技术对煤层采动引起的岩层破坏规律探测具有针对性,其精度能满足生产需要,费用低,是一种有效探测技术。

关键词：深度学习多属性融合技术导水裂隙带三维地震技术保水采煤

基于颗粒流的浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征

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采矿与岩层控制工程学报 2020年第1期2卷 16-24页

作者：侯恩科从通谢晓深魏江波西安科技大学地质与环境学院

陕北浅埋煤层开采引起地面塌陷严重影响了矿区生态环境,与浅埋单煤层开采相比,浅埋双煤层开采所导致的覆岩破坏、裂缝发育更为复杂。以柠条塔煤矿N1206和N1114典型工作面为研究对象,采用颗粒流方法对浅埋双煤层斜交开采的过程及其所致... 详细信息

陕北浅埋煤层开采引起地面塌陷严重影响了矿区生态环境,与浅埋单煤层开采相比,浅埋双煤层开采所导致的覆岩破坏、裂缝发育更为复杂。以柠条塔煤矿N1206和N1114典型工作面为研究对象,采用颗粒流方法对浅埋双煤层斜交开采的过程及其所致地表裂缝发育特征进行了模拟研究。研究结果表明:浅埋双煤层斜交开采煤柱所在区域的上行和下行裂隙密集发育;各工作面采毕地表下沉曲线呈现宽缓的“W”型;1^-2煤采毕与2^-2煤采毕裂缝发育速率比值为1:3~1:2,地表最大下沉量比值为1:7;开切眼及终采线位置附近裂缝密集且会导通至地表;地表最大下沉量位于工作面开切眼位置附近,地表最大水平正向位移位于工作面开切眼位置附近,左侧工作面采毕最大负向位移位于工作面终采线位置,右侧工作面采毕最大负向位移位于1^-2煤右侧工作面靠近终采线位置。研究结果可为浅埋双煤层开采的相关研究与工程实践提供理论参考与实际借鉴。

关键词：浅埋煤层双煤层斜交开采地表裂缝地面塌陷颗粒流

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导水裂隙带发育特征地震识别方法

煤炭学报 2023年第1期48卷 414-429页

作者：侯恩科袁峰王双明谢晓深吴宝海西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省地质调查院陕西西安710065 赛吉纪技术服务(北京)有限公司北京100016

导水裂隙带发育高度是保水采煤的关键参数,但导水裂隙带散射波、多次波发育,成像质量差,地震识别难度大,很难精确获取导水裂隙带发育特征。为进一步解决导水裂隙带地震识别问题,并揭示导水裂隙带空间发育特征,通过测井、钻探资料分析和... 详细信息

导水裂隙带发育高度是保水采煤的关键参数,但导水裂隙带散射波、多次波发育,成像质量差,地震识别难度大,很难精确获取导水裂隙带发育特征。为进一步解决导水裂隙带地震识别问题,并揭示导水裂隙带空间发育特征,通过测井、钻探资料分析和三维模型正演对导水裂隙带的地震特征进行了研究。研究结果表明:电阻率、自然伽马、自然电位和冲洗液漏失量均能表征导水裂隙带发育高度,但单一因素解释误差较大,准确度低;谱分解、相干体、瞬时频率和蚂蚁追踪4种叠后地震属性分析能够不同程度地反映出导水裂隙带发育位置、高度特征,但只能对导水裂隙带部分部位实现较准确判断,无法准确反映导水裂隙带三维整体形态和发育特征。在综合地质、地震资料的基础上,根据电阻率、自然伽马、自然电位和冲洗液漏失量数据,利用主成分分析建立了导水裂隙带定量解释指标,通过地震属性优选、叠后确定性反演、叠前弹性阻抗反演、各向异性检测,结合裂隙指示曲线,利用神经网络反演形成裂隙指示数据体,对导水裂隙带发育高度和发育特征进行了定量描述,提出了适宜回采工作面导水裂隙带发育特征的地震识别方法,并成功识别了陕北某矿首采工作面导水裂隙带发育特征。实践结果表明:综采工作面走向方向导水裂隙带发育形态呈“半马鞍形”,即发育高度由开切眼至面内逐渐降低并趋于平稳;工作面倾向方向导水裂隙带呈两边高中间略低的形态特征,近似“马鞍形”;采空区开切眼处导水裂隙带发育高度最大,两侧采空边界煤柱处裂隙带发育高度略低,裂采比为25.86~30.76;垮落带以高角度裂隙为主,水平方向呈网状,垮采比为3.44~5.72。经验证,该导水裂隙带地震识别方法获取的导水裂隙带发育高度误差在2.42~6.81 m,垮落带识别误差1.60~12.89 m,误差相对较小,能够准确获取导水裂隙带三维空间发育特征,可以为西部煤炭开采水资源和生态环境保护提供一定的方法支持。

关键词：导水裂隙带三维地震三维正演和反演各向异性检测保水开采

无人机遥感与卫星遥感在采煤地表裂缝识别中的对比

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地质通报 2019年第2期38卷 443-448页

作者：侯恩科张杰谢晓深徐友宁西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 中国地质调查局西安地质调查中心陕西西安710054

采煤诱发地表裂缝是地面塌陷最直观的表现形式之一,也是造成煤矿区环境恶化的主要因素。准确掌握地表裂缝的展布规律是煤矿区地面塌陷治理的基础。以宁夏金凤煤矿011805工作面为研究对象,对比分析卫星遥感影像与无人机遥感影像在地表裂... 详细信息

采煤诱发地表裂缝是地面塌陷最直观的表现形式之一,也是造成煤矿区环境恶化的主要因素。准确掌握地表裂缝的展布规律是煤矿区地面塌陷治理的基础。以宁夏金凤煤矿011805工作面为研究对象,对比分析卫星遥感影像与无人机遥感影像在地表裂缝调查、解译识别中的优缺点,总结工作面地表裂缝发育规律。研究表明,无人机航拍影像中裂缝整体视觉清晰,可充分反映出宽度大于5cm的地表裂缝的形态、长度、位置等发育特征,且解译出的地表裂缝发育规律更接近实际;无人机遥感不仅提高了煤矿区地表裂缝调查的精度和可靠性,也为地表裂缝各项研究提供了丰富的基础数据。

关键词：地表裂缝卫星遥感无人机遥感采煤塌陷

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中埋深煤层综采地表裂缝发育规律研究

采矿与安全工程学报 2021年第6期38卷 1178-1188页

作者：侯恩科谢晓深王双明从通冯栋陈真西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077 陕西小保当矿业有限公司陕西榆林719302

为揭示陕北侏罗纪煤田中埋深工作面高强度开采诱发的地表裂缝发育规律、空间形态及深度特征,以小保当煤矿首采工作面为研究区,采用地表裂缝填图、裂缝宽度变化动态观测和裂缝示踪开挖观测等方法开展了风沙滩地区中埋深煤层高强度开采地... 详细信息

为揭示陕北侏罗纪煤田中埋深工作面高强度开采诱发的地表裂缝发育规律、空间形态及深度特征,以小保当煤矿首采工作面为研究区,采用地表裂缝填图、裂缝宽度变化动态观测和裂缝示踪开挖观测等方法开展了风沙滩地区中埋深煤层高强度开采地表裂缝静态、动态演化规律及空间形态的研究。研究表明:112201工作面地表裂缝主要有边界裂缝和面内裂缝两类,前者沿平巷、切眼发育,后者于面内平行切眼发育。边界裂缝和面内裂缝宽度小于1.0cm占73%,宽度大于5.0cm仅占3%;裂缝整体发育程度较弱;面内裂缝宽度一般小于2.0cm,两侧无落差,滞后回采位置发育,平均滞后距30.14 m,滞后角84.1°;面内裂缝宽度随时间呈单峰型变化即表现为先开裂、后闭合(半闭合)型动态变化特征,平均活动时间约为7.8 d且缝宽增大和减小的时间基本相等,结合地表移动观测资料给出了裂缝活动时间T的计算公式;平行平巷边界裂缝呈"带状"分布在工作面平巷内侧56 m、外侧18 m的范围内,裂缝宽度则呈现开裂-增大直至稳定的变化特征;工作面地表裂缝空间形态分为楔形,梭形和分叉形3类,沙土层内发育深度不超过2.5m。宽度小于5 cm的裂缝在采后2个月内被风积沙自然掩埋而难觅踪迹,宽度大于5 cm的裂缝在采后6个月内大多被风积沙自然掩埋。这一研究结果对风沙滩地区生态环境治理和水资源保护具有重要参考价值。

关键词：中埋深煤层地表裂缝发育规律空间形态

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浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及防治方法

煤田地质与勘探 2022年第12期50卷 30-40页

作者：侯恩科谢晓深冯栋陈秋计车晓阳侯鹏飞西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 西安科技大学测绘科学与技术学院陕西西安710054 西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

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... 详细信息

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。

关键词：浅埋煤层地面塌陷发育规律塌陷治理生态修复与示范

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羊场湾煤矿采动地裂缝发育特征及规律研究

采矿与岩层控制工程学报 2020年第3期2卷 95-102页

作者：侯恩科谢晓深徐友宁魏启明刘江斌张仲杰西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 中国地质调查局西安地质调查中心陕西西安710054 神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿宁夏灵武751400

采煤诱发的地裂缝是煤矿区最为常见的一种土地破坏形式,也是矿区土地复垦、生态环境修复所直面的一种灾害类型。准确掌握其发育规律、特征并对其进行预测是采煤沉陷治理的基础。以羊场湾煤矿为研究区,采用无人机航拍、野外调查和理论分... 详细信息

采煤诱发的地裂缝是煤矿区最为常见的一种土地破坏形式,也是矿区土地复垦、生态环境修复所直面的一种灾害类型。准确掌握其发育规律、特征并对其进行预测是采煤沉陷治理的基础。以羊场湾煤矿为研究区,采用无人机航拍、野外调查和理论分析的方法对地表裂缝发育规律、特征及其与采矿地质条件的关系进行了归纳分析。结果表明:裂缝发育程度会随着开采深度的增加逐渐减弱,当开采深度大于350 m时平行开切眼裂缝几乎不再发育,平行巷道裂缝则以“环带”的形式发育;当开采深度大于550 m时,裂缝发育特征不再明显。地表裂缝发育范围可以简化为2个半椭圆和1个矩形的组合形状,并能通过地表移动变形参数和煤层埋深计算出地表裂缝发育范围。地表裂缝最大发育宽度随着采深采厚比的增加呈负指数形态减小。经拟合处理,得到了地表裂缝最大发育宽度预测公式。

关键词：缓倾斜煤层地表裂缝发育特征宽度预测