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近距离煤层顶板水害立体防控技术研究--以蒙陕深部矿井为例

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煤炭科学技术 2021年第12期49卷 165-172页

作者：周新河翁明月苏士杰李广疆中天合创能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017000

蒙陕地区深部侏罗系煤层开采水文地质条件复杂,矿井在开采期间面临顶板疏水难度大、排水系统压力大、掘进效率低、经济效益差等难题,提出“低位邻面截流、分区防控、层组治理”的水害防控思路,建立近距离煤层顶板水害立体防控方案和以... 详细信息

蒙陕地区深部侏罗系煤层开采水文地质条件复杂,矿井在开采期间面临顶板疏水难度大、排水系统压力大、掘进效率低、经济效益差等难题,提出“低位邻面截流、分区防控、层组治理”的水害防控思路,建立近距离煤层顶板水害立体防控方案和以单孔涌水量、钻孔水压力、静储量为指标的水害立体防控效果评价体系。以呼吉尔特矿区门克庆矿井3^(-1),2^(-2)中煤近距离开采顶板水害防治为例,通过井上下钻探、物探立体探查手段,开展精细探查,建立和完善了井上、井下水文监测系统,在分析研究矿井顶板含隔水层沉积地质展布情况、富水异常区分布范围及层段和地下水流场特征等重要水文地质参数的基础上,实行上行开采的方式,首先有针对性的开展了3^(-1)煤3101工作面的顶板疏放水工作,并通过疏放水试验精细预测工作面涌水量,建立完善可靠的排水系统,该工作面顶板疏放水钻孔累计疏放水量达2659.3万m^(3)。在2201工作面掘进期间,通过超前探放水钻孔发现,相较于3^(-1)煤,其顶板含水层水压、水量均有不同程度的下降,说明先行开采下层3^(-1)煤截流、降低了2^(-2)中煤顶板含水层富水性,水害防治方案达到了初步效果。2201工作面在回采前,结合沉积地质分析情况及物探异常区圈定范围,开展重点区域和层段顶板水疏放工作,进一步优化顶板疏放水钻孔设计,根据各孔终孔水量、水压情况,2^(-2)中煤顶板含水层富水性有了明显的下降,这都表明提出的以区域和煤组为单位大范围治理顶板水害的方法,形成的蒙陕地区深部矿井近距离煤层顶板水害立体防控技术,有利于近距离煤层顶板水害防治。

关键词：近距离煤层高承压水精细探查层组治理疏放效果评价顶板水害

近距离煤层开采风化岩体载荷传递效应及失稳特征研究

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采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1253-1263页

作者：李江华煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山西省矿井地球物理勘探技术创新中心山西晋城048006

以库拜煤田近距离煤层开采突水工作面为例,通过岩石力学声发射测试,获得了风化岩石加载变形破坏过程中裂隙扩展演化和声发射特征。建立力学模型分析了近距离煤层开采岩体破断特征及风化岩体的载荷传递效应,并通过数值模拟验证了风化岩... 详细信息

以库拜煤田近距离煤层开采突水工作面为例,通过岩石力学声发射测试,获得了风化岩石加载变形破坏过程中裂隙扩展演化和声发射特征。建立力学模型分析了近距离煤层开采岩体破断特征及风化岩体的载荷传递效应,并通过数值模拟验证了风化岩体对下部岩层破坏的影响。采用三轴加卸载声发射实验模拟研究重复采动条件下岩石裂隙扩展演化特征,并结合现场观测统计分析了采动裂隙发育特征及风化岩体对采动裂隙发育规律的影响。基于三轴渗流特性测试,研究了水压作用下风化岩石裂隙渗流规律。研究结果表明:风化岩石声发射特征累计统计值呈连续光滑增大,但声发射能量、事件均较弱,受埋深浅、围岩应力小的影响,采动易引起裂隙扩展形成导水通道。风化带使上部岩体载荷传递增大,促进下部岩层的损伤及主关键层的破坏,近距离煤层开采顶板硬岩发生复合破断后,应力-渗流耦合作用岩体裂隙进一步扩展,产生发育的地表地裂缝。近距离煤层开采岩体发生重复扰动破坏,采动裂隙产生叠加破坏,风化带成为上下部裂隙的连接纽带,使导水裂隙带高度增大。风化岩石原始渗透率较大,发生塑性变形至裂隙贯通破坏后渗透率增大2~3倍,水压作用促进风化岩石裂隙扩展,发生强度劣化效应,成为良好的导水通道,导致松散层水和地表水涌入工作面,发生突水事故。

关键词：近距离煤层风化岩体采动失稳突水

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近距离煤层底板应力分布规律及巷道布置研究

煤炭科学技术 2024年第8期52卷 11-22页

作者：张杰孙建平何义峰张一铭庞海波武浩昊张建辰彭冰西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054 中国联合网络通信有限公司陕西省分公司陕西西安710000 陕西省矿产资源调查评审中心陕西西安710054

为探究上煤层遗留煤柱对底板的应力影响及下煤层回采巷道的合理布置,以唐山沟煤矿为研究对象,运用理论分析和数值模拟等方法并综合多种影响因素构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型,对上煤层遗留... 详细信息

为探究上煤层遗留煤柱对底板的应力影响及下煤层回采巷道的合理布置,以唐山沟煤矿为研究对象,运用理论分析和数值模拟等方法并综合多种影响因素构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型,对上煤层遗留煤柱下底板应力及影响因素展开研究。结果表明:上煤层遗留煤柱对底板的应力影响以垂直应力为主,影响程度随底板深度的增加而降低;遗留煤柱下底板应力增高区呈椭球形,对底板应力增高区的影响因素展开分析,得到了不同因素对应力增高区范围影响的量化关系,其中煤柱峰值应力对底板应力增高区分布起决定性作用;根据底板应力分布特征并结合理论计算及数值模拟结果,确定唐山沟煤矿8煤遗留煤柱与11^(-1)煤回采巷道合理错距值应为20~25 m。该研究揭示了上煤层遗留煤柱下底板应力传递机理,明确了底板应力增高区的分布及影响因素,并得到了巷道-煤柱合理错距值的确定方法,可为下煤层回采巷道的合理布置提供理论依据。

关键词：近距离煤层遗留煤柱底板应力巷道布置

近距离煤层应力拱形态与支承压力分布演化研究

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采矿与安全工程学报 2023年第2期40卷 295-303页

作者：李亮何富连许旭辉秦宾宾吕凯翟文立宋佳宇中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083

为了确定近距离煤层重复开采停采煤柱的合理宽度,以燕子山矿为工程背景,基于应力拱理论进行了研究。采用理论分析、数值模拟及现场实测研究了随重复开采应力拱形态和支承压力分布的演化规律及响应关系。结果表明:跨度、埋深与支承压力... 详细信息

为了确定近距离煤层重复开采停采煤柱的合理宽度,以燕子山矿为工程背景,基于应力拱理论进行了研究。采用理论分析、数值模拟及现场实测研究了随重复开采应力拱形态和支承压力分布的演化规律及响应关系。结果表明:跨度、埋深与支承压力影响范围呈正相关,而拱高、集中应力系数与其呈负相关。重复开采引起应力拱左、右半拱的拱高和跨度按时空顺序分别增大至165 m和235 m,结合理论计算得超前支承压力影响范围由78 m增大至94 m。现场实测所得数据得到了相同的规律。应力拱的形态与支承压力分布的演化高度关联,随重复开采超前支承压力影响范围明显增大。研究成果可为近距离煤层停采煤柱宽度的留设提供科学依据。

关键词：近距离煤层重复开采非线性载荷应力拱支承压力

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近距离煤层顶板煤柱集中应力影响机制

采矿与安全工程学报 2020年第6期37卷 1077-1083页

作者：何富连康庆涛殷帅峰刘佳宇中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 华北科技学院安全工程学院河北三河065201 鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017100

在房柱采空区下煤层顶板完整性受到破坏,煤房煤柱交替出现使下部近距离煤层顶板中应力分布和破断规律受到影响。为了得出房柱采空区下近距离煤层顶板受煤柱集中应力影响机制,采用数值模拟、理论分析和物理模拟相结合的方法对典型煤矿房... 详细信息

在房柱采空区下煤层顶板完整性受到破坏,煤房煤柱交替出现使下部近距离煤层顶板中应力分布和破断规律受到影响。为了得出房柱采空区下近距离煤层顶板受煤柱集中应力影响机制,采用数值模拟、理论分析和物理模拟相结合的方法对典型煤矿房柱采空区下近距离煤层开采进行研究,得出结论:房柱采空区下煤层直接顶板中应力均值较低,未直接受到集中应力影响,但开采过程中由于控顶区上方顶板背负具有支撑作用的煤柱,在工作面顶板中产生偏向后方的集中应力带;受偏向后方的集中应力影响,工作面出煤柱下方区域后顶板压力仍较大且顶板易发生超前破断,顶板裂隙沿煤房与煤柱边界产生并向工作面延伸,给工作面安全生产带来不利影响。

关键词：煤柱近距离煤层集中应力

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近距离煤层下行跨煤柱开采巷道的合理布局

东北大学学报（自然科学版） 2023年第1期44卷 100-109页

作者：王泓博张勇庞义辉中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 天地科技股份有限公司北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

为了探究遗留区段煤柱对下伏回采巷道布局的影响,以煤峪口矿为工程背景,通过最大主应力集中系数判别底板应力增高区,采用理论解析、编程计算、数值模拟的方法,研究了不同开采阶段底板应力增高区的演化特征.结果表明:区段煤柱宽度、埋深... 详细信息

为了探究遗留区段煤柱对下伏回采巷道布局的影响,以煤峪口矿为工程背景,通过最大主应力集中系数判别底板应力增高区,采用理论解析、编程计算、数值模拟的方法,研究了不同开采阶段底板应力增高区的演化特征.结果表明:区段煤柱宽度、埋深、煤柱边缘至峰值区的距离及其垂直应力峰值控制着应力增高区的发育,采空区应力恢复特征对应力增高区的影响可以忽略;对比各模拟方案中煤柱-巷道错距与应力增高区对下煤层的影响范围峰值,并结合采空区应力逐渐恢复及工作面矿压显现的区域化特征,认为煤柱-巷道错距10~15 m为优选区间.选择12 m错距进行工业试验,取得了良好效果.

关键词：近距离煤层下行开采遗留区段煤柱采空区应力恢复煤柱底板高应力

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近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第4期53卷 1392-1405页

作者：程辉赵洪宝张欢秦逢缘李金雨煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102200 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024

为探究近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术,以回坡底煤矿1021巷为工程背景,通过力学分析、数值模拟等研究方法,对巷道底板应力场、速度场、最大破坏深度进行研究;对底板铝质泥岩建立力学模型,探究影响压曲临界应力的因素,分析线性荷... 详细信息

为探究近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术,以回坡底煤矿1021巷为工程背景,通过力学分析、数值模拟等研究方法,对巷道底板应力场、速度场、最大破坏深度进行研究;对底板铝质泥岩建立力学模型,探究影响压曲临界应力的因素,分析线性荷载系数λ与底臌形态的关系;采用试验法对底板岩样的崩解性、膨胀软化特征进行分析。研究结果表明:巷道底板最大破坏深度为4.3 m,增大底板岩层黏聚力与内摩擦角可减小底板破坏深度。底板主应力方向受煤柱影响发生偏转,速度场方向指向远离煤柱一侧巷帮,导致巷道底臌呈非对称性分布;底板压曲时的临界应力与岩层跨度L、荷载q1(x)呈反比,与厚度t、弹性模量E、泊松比μ呈正比;当底板受到非对称荷载作用时,最大底臌量位置随λ的改变而发生转移;当岩样浸泡时间较长时,干.湿循环条件下岩样的崩解程度较自然浸水条件下岩样的崩解程度高,当岩样浸泡时间较短时,岩样力学强度随时间的延长而降低,但降低速率逐渐减缓;1021巷底板采用单体锚索平行布置的非对称支护,取得了较好的支护效果。

关键词：近距离煤层巷道底臌临界应力破坏深度底板支护

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近距离煤层回采巷道非对称性破坏机理与演化规律研究

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中国矿业大学学报 2021年第6期50卷 1029-1040,1050页

作者：赵洪宝程辉吉东亮王涛王伊阔蒋长宝中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024

近距离煤层开采过程中,上位煤层的工作面回采与煤柱应力集中均会对下位煤层巷道围岩稳定性造成较大影响.本文以回坡底煤矿11^(#)煤层1021巷为工程背景,探究巷道在受到10^(#)煤层103工作面回采与煤柱应力集中情况下产生非对称性破坏的机... 详细信息

近距离煤层开采过程中,上位煤层的工作面回采与煤柱应力集中均会对下位煤层巷道围岩稳定性造成较大影响.本文以回坡底煤矿11^(#)煤层1021巷为工程背景,探究巷道在受到10^(#)煤层103工作面回采与煤柱应力集中情况下产生非对称性破坏的机理与演化规律.研究结果表明:受103工作面前方支承压力与煤柱应力集中影响的区域巷道处于拉-压偏应力场之中,此位置的巷道最容易发生破坏变形,而位于工作面后方与前方原岩应力处的区域巷道均处于压偏应力场中;不同位置处的巷道所受最大、最小主应力均发生一定角度的偏转,但应力偏转程度不同.考虑中间主应力作用时,侧压系数λ>1条件下,巷道顶底板不同深度处最大、最小偏应力呈"八"字形分布,两帮最大、最小偏应力呈"√"形分布,巷道围岩偏应力差整体呈倾斜的"8"字形分布.随着103工作面的回采,1021巷围岩塑性区由倾斜的"O"形分布向倾斜的"X"形分布演化,呈对角式发育,最大塑性区半径达到6 m;针对1021巷出现的非对称性破坏,在受103工作面前方支承压力与煤柱影响的区域巷道进行单体液压支柱与工字钢梁配合的补强支护;同时,基于1021巷原支护技术提出了合理的巷道支护优化设计方案.

关键词：近距离煤层非对称性破坏偏应力场塑性区演化合理支护

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

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采矿与安全工程学报 2022年第2期39卷 255-263页

作者：杨滨滨袁世冲郑德志刘佳维亢嘉延马路兴周永杰许昌学院土木工程学院河南许昌461000 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 煤炭工业规划设计研究院有限公司北京100120

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究。采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数... 详细信息

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究。采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数来反映裂隙状态。研究结果表明:随着煤层开采的不断推进,上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率具有相同的变化趋势,下行开采重复采动覆岩裂隙的分形维数、裂隙率具有相同的递增趋势,但是裂隙熵在不同开采条件下的变化有较大的差异。在重复采动条件下,上、下行开采覆岩裂隙分形维数在沿开采方向上的变化分别呈“马鞍形”和“梯形”,裂隙率和裂隙熵呈相似的周期性振动变化,但裂隙率的振幅小于裂隙熵。相比于上行重复开采,下行重复开采的覆岩裂隙的产生与扩张作用较强。上行开采重复采动距离煤层底板越远,裂隙熵越小;下行开采重复采动距离煤层底板较远的地方裂隙熵较大,当夹矸岩层全部垮落后,上、下煤层的破坏带连通,导水裂隙带高度持续发育。

关键词：近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征参数