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弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

煤炭科学技术 2024年第2期52卷 209-218页

作者：李江华煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤矿灾害防控全国重点实验室北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013 山西省矿井地球物理勘探技术创新中心山西晋城048006

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射... 详细信息

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明:研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为正常区隔水保护层厚度小于30 m,受背斜构造影响区隔水保护层厚度小于60 m。弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制及工程判据对西部矿区水害防治提供了借鉴。

关键词：安新煤田矿井水害弱胶结砂砾岩采动富水区突水机制

煤-岩层倾角对沿空留巷非对称变形破坏的影响研究

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矿业研究与开发 2024年第2期44卷 74-80页

作者：种化省滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿山东枣庄市277515

为揭示煤层倾角对沿空留巷变形破坏的影响,以山东锦丘煤矿为工程背景,通过现场调查、力学模型分析和数值模拟研究了缓倾煤层沿空留巷非对称变形破坏的倾角效应。结果表明:缓倾煤-岩层沿空留巷两帮变形呈现显著非对称特征,随着倾角增大,... 详细信息

为揭示煤层倾角对沿空留巷变形破坏的影响,以山东锦丘煤矿为工程背景,通过现场调查、力学模型分析和数值模拟研究了缓倾煤层沿空留巷非对称变形破坏的倾角效应。结果表明:缓倾煤-岩层沿空留巷两帮变形呈现显著非对称特征,随着倾角增大,非对称变形特征加剧,煤-岩层面变形阶跃效应显著;煤-岩层倾角大于10°时,窄煤柱煤-岩界面已具备发生剪切滑移变形的条件;巷道两帮围岩沿煤-岩界面滑移和非对称变形、破坏特征加剧的本质是煤-岩层倾斜导致自重应力和窄煤柱附加应力沿层面分量增大。研究结果可为缓倾斜煤层开采和支护提供参考。

关键词：煤层倾角煤岩巷道倾角效应非对称变形

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不同椭圆率巷道冲击破坏特征试验研究

煤炭学报 2024年

作者：许庆峰彭守建许江杨燕秦朝龙农晓莉贾立重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室

为研究椭圆率对巷道冲击破坏特征的影响机制，利用自主研发的深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，开展了真三维条件下椭圆形巷道冲击破坏试验，分析了不同椭圆率巷道冲击破坏演化规律。结果表明：试样峰值应力及轴向变形量会随椭... 详细信息

为研究椭圆率对巷道冲击破坏特征的影响机制，利用自主研发的深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，开展了真三维条件下椭圆形巷道冲击破坏试验，分析了不同椭圆率巷道冲击破坏演化规律。结果表明：试样峰值应力及轴向变形量会随椭圆率的增大呈现先增大后减小的趋势，椭圆率为1.25试样的峰值应力及轴向变形量最大；巷道破坏主要集中在边帮两侧，声发射三维定位也验证了这种破坏特征；扰动加载期声发射计数、能量突增，声发射b值突降，说明试样在扰动应力下产生了大尺度破坏。随着椭圆率的增加，声发射的最大计数、最大能量、b值下降幅度均呈现增加趋势。不同椭圆率试样声发射累计能量与时间均存在非线性数学关系，证明了冲击破坏的能量骤增原理。不同椭圆率试样红外云图和平均红外辐射温度在破坏时有明显的上升，其中椭圆率为1.25试样最为显著。试验结果为地下工程巷道断面防冲设计提供了理论支撑。

关键词：椭圆率冲击破坏声发射空间定位红外热成像

松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1332-1344页

作者：王方田屈鸿飞张洋刘超郝文华江振鹏中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 永城煤电集团股份有限公司顺和煤矿河南永城476600 煤炭科学研究总院北京100013

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围... 详细信息

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律,揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理,提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明:①采用极限平衡理论与叠加理论,确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律,阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律:0~1.26 m深度,煤柱上部安全系数较小;在1.26~3.95 m处,煤柱中线部分大面积安全系数较小,易受顶板来压破坏。②提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术,煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%,巷道围岩完整性大幅提高,形成了强承载结构,有效控制了煤柱变形及底臌。③根据松软厚煤层区段煤柱条件,合理确定了协同控制设计参数,并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明,煤柱裂隙得到充分填充,注浆后煤体强度提高63%以上;巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围,表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力,回采巷道围岩变形得到有效控制,为工作面安全高效开采提供了空间保障。

关键词：松软煤层煤柱剪切滑块协同控制围岩稳定性

深部煤矿泡沫充填复合承载结构强度特征及应用研究

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中国煤炭 2024年第8期50卷 78-86页

作者：刘立仁郭佳策陈博邢真强鹿文勇国家能源集团国神三道沟煤矿陕西省榆林市719407 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁省抚顺市113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁省抚顺市113122

深部煤矿开采带来的复杂环境和开采扰动积累的超高能量瞬间释放易造成冲击地压灾害。为了解决煤矿开采过程中上覆岩层移动及高能量瞬间释放冲击现象,采用实验室实验、数值模拟和现场实践相结合,研究了深部煤矿开采过程中顶板断裂的煤体... 详细信息

深部煤矿开采带来的复杂环境和开采扰动积累的超高能量瞬间释放易造成冲击地压灾害。为了解决煤矿开采过程中上覆岩层移动及高能量瞬间释放冲击现象,采用实验室实验、数值模拟和现场实践相结合,研究了深部煤矿开采过程中顶板断裂的煤体承载区、协同承载区和泡沫充填体承载区承载特性。通过单轴压缩和声发射试验系统研究了泡沫充填体复合承载结构和破坏特征,揭示泡沫充填体的强度变化及裂纹扩展规律;探究了变形与能量耗散特性关系,应力越大,能量耗散越大,应变越大。采用数值模拟研究了泡沫充填法和直接垮落法应变能密度分布。结果表明:泡沫充填开采应变能密度分布不集中,比直接垮落法峰值低,泡沫充填可有效降低上覆顶板断裂能量释放。以三道沟煤矿45205综采工作面为例,提出了泡沫材料充填体压实吸能控制措施,可降低上覆岩层和采动过程中能量的瞬间释放;对45205综采工作面地表沉降及微震能量监测结果表明,当充填体充填率控制为80%时,与直接垮落法相比,工作面微震总数和释放能量显著降低。研究表明,泡沫充填体能够有效地减少采动岩石能量释放,从而实现矿山冲击地压管理和深部煤矿可持续开采。

关键词：深部矿井冲击地压泡沫充填体复合承载结构破坏特征

页岩平行/垂直层理剪切裂缝导流特性对比研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 298-307页

作者：卢义玉赵贵林汤积仁贾云中陈罗成其刘彦麟重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

在页岩气开采过程中,储层中的剪切裂缝作为重要的渗流通道,受页岩层理方向的影响,表现出不同的导流特性。为揭示层理对页岩剪切裂缝导流特性的具体影响,选取中国重庆涪陵地区龙马溪组页岩,制作平行层理与垂直层理2个方向的剪切裂缝,采... 详细信息

在页岩气开采过程中,储层中的剪切裂缝作为重要的渗流通道,受页岩层理方向的影响,表现出不同的导流特性。为揭示层理对页岩剪切裂缝导流特性的具体影响,选取中国重庆涪陵地区龙马溪组页岩,制作平行层理与垂直层理2个方向的剪切裂缝,采用三维形貌扫描仪对裂缝表面进行表征,分析裂缝初始形貌与机械开度,采用煤岩三轴流变实验系统开展不同有效应力下的气体导流实验,分析裂缝导流特性。研究结果表明:垂直剪切裂缝表面具有较大的粗糙度、较大的开度分布标准差、较多的小开度裂缝(<200μm)等特征;在有效应力较低时(<8 MPa),垂直剪切裂缝的等效水力开度(17~100μm)高于平行剪切裂缝(22~66μm),此时垂直剪切的导流能力更强,随着有效应力的增加,平行剪切裂缝具有更强的导流能力;相较于平行剪切裂缝的临界雷诺数(4.2~8.5),垂直剪切裂缝的临界雷诺数(3.1~15.6)整体较大,在相同条件下更不易发生非线性流动,对裂缝的气体流态分析也表明垂直剪切裂缝中同时存在层流、过渡流和紊流,而平行剪切裂缝中只存在过渡流和紊流。

关键词：岩石力学页岩层理剪切裂缝裂缝开度导流能力气体流态

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西湾露天煤矿采区转向方案研究

中国煤炭 2024年第8期50卷 135-141页

作者：李雁飞国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天煤矿陕西省榆林市719000

采区接续转向方式不仅影响露天煤矿生产稳定及剥采比均衡,而且是影响露天煤矿生产组织管理及生产成本的重要因素。国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天煤矿(以下简称“西湾露天煤矿”)面临着首采区开采到界及产能核增的生产影... 详细信息

采区接续转向方式不仅影响露天煤矿生产稳定及剥采比均衡,而且是影响露天煤矿生产组织管理及生产成本的重要因素。国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天煤矿(以下简称“西湾露天煤矿”)面临着首采区开采到界及产能核增的生产影响,为了解决由此产生的生产接续及采区转向问题,基于西湾露天煤矿开采条件与开发现状,在西湾露天煤矿优化原采区划分的基础上提出采区划分及重新拉沟、扇形转向、L型推进3种转向方案,对比分析了各种采区转向方案生产能力、均衡剥采比、排土规划等方面的影响,并综合优选最佳采区转向方案。研究结果表明,L型推进方案均衡期数最少,重新拉沟方案剥采比极小值最小,扇形转向方案平均剥采比最小;在农田征地且方家畔尾坑可利用排土时,推荐采用重新拉沟方案,在首采区农田征地问题不能解决时,建议采取L型推进方案。

关键词：露天煤矿采区划分采区转向剥采比排土规划

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煤矿巷道快速掘进工艺优化及应用

煤矿现代化 2024年第4期33卷 77-81页

作者：付家亭崔浩秦凯济宁市金桥煤矿山东济宁272200

当前的炮掘施工工艺存在安全度低、效率慢、成本高等一系列缺点,使用条件受限。基于济宁能源各矿的掘进现状,分析各矿所采用的快速掘进措施,介绍了各矿所采用的新型机械化设备和配套装置,提出快速掘进施工方案,减少了炮掘施工措施。各... 详细信息

当前的炮掘施工工艺存在安全度低、效率慢、成本高等一系列缺点,使用条件受限。基于济宁能源各矿的掘进现状,分析各矿所采用的快速掘进措施,介绍了各矿所采用的新型机械化设备和配套装置,提出快速掘进施工方案,减少了炮掘施工措施。各种快速掘进工艺的现场应用,解决了在巷道开门、短距离巷道及大倾角巷道条件下的施工效率问题,提高了各矿综掘占比,为下一步继续推广使用综掘工艺提供保障,促进济宁能源掘进工作安全高效地运行。

关键词：快速掘进防爆装载机梭式矿车辅助装置

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真三轴下砂岩水力压裂物理模拟与声发射特征

地下空间与工程学报 2024年第4期20卷 1145-1151,1159页

作者：姜永东谢成龙宋晓刘正杰重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044

为揭示水力压裂破岩机理,采用真三轴加载系统、声发射仪、高压柱塞泵建立了一套室内岩石水力压裂物理模拟系统,该系统可以研究水力压裂破岩机理。基于格里菲斯强度准则建立了岩石起裂的临界水压力和起裂位置,结果表明:当水压力远低于临... 详细信息

为揭示水力压裂破岩机理,采用真三轴加载系统、声发射仪、高压柱塞泵建立了一套室内岩石水力压裂物理模拟系统,该系统可以研究水力压裂破岩机理。基于格里菲斯强度准则建立了岩石起裂的临界水压力和起裂位置,结果表明:当水压力远低于临界压力时,在水压上升期砂岩声发射特征较明显,在水压保持期砂岩声发射特征平静,产生的信号为砂岩原生闭合的微裂隙被压开;当水压力接近临界压力时,在水压上升期和保持期砂岩声发射撞击数、振幅、能量均聚增,产生的信号为砂岩破裂产生的新生裂隙扩展和贯通;裂缝起裂、扩展方向与最小主应力方向垂直,原生裂缝控制了砂岩的裂缝起裂和扩展方向。本研究成果可为煤矿细砂岩厚老顶强矿压水力压裂治理提供参考。

关键词：砂岩水力压裂物理模拟声发射电子计算机断层扫描