坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

地面高压酸化水力压裂消除坚硬覆岩悬顶结构的技术

为解决常村煤矿21采区煤柱工作面受厚层坚硬顶板、煤柱两侧大面积采空、不规则煤柱等因素影响,冲击危险性较大的问题。采用地面高压酸化水力压裂技术,人为降低坚硬顶板结构的完整性,确保采空区顶板充分冒落,缩小顶板悬臂长度,消除上覆巨厚砾岩岩层蓄能积聚,减小应力传递,降低顶板突然断裂造成的严重冲击地压风险,确保采区下山煤柱安全回收。

浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理研究

对浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理进行了数值模拟.结果表明,采场上方存在高应力束组成的"复合应力拱","外应力拱"承担覆岩及地表土的自重并将其传递至采场两侧实体煤内,"内应力拱"主要承担悬空顶板的重量并传递至煤柱."复合应力拱"形态随时间推移而不断演化,"内应力拱"不断合并抬升直至与"外应力拱"重合,最终拱肩处岩体受拉压复合应力作用而首先开裂,从而破坏了"复合应力拱"成拱机制而导致采场上方覆岩断裂、地表塌陷.

坚硬覆岩顶板条件下动力灾害危险性分析

宣东煤矿煤层上方存在一层厚达200m的坚硬覆岩,通过理论分析、现场实测等方法,认为坚硬覆岩是其动力灾害发生的主要动力源。坚硬覆岩的跨度随回采工作面的推进而不断增加,聚集大量弹性能,为下方工作面开采埋下很大的动力灾害隐患。在此基础上结合动力灾害的致因提出具有针对性的防冲防突措施。

坚硬覆岩的结构失稳运动规律及其对冲击地压的影响

为研究坚硬覆岩的结构失稳运动规律,以耿村煤矿13200工作面为工程背景,构建坚硬岩层失稳结构模型,对坚硬岩层结构特征、结构形成条件、结构失稳尺度、结构失稳释放能量等进行了分析,并分别给出了相应的计算公式,确定坚硬岩层失稳对冲击地压的控制作用。研究结果表明:13200工作面低位和中位坚硬岩层下方存在自由空间,具备结构形成的条件;高位坚硬岩层下方无自由空间,不具备结构形成的条件。根据13200工作面钻孔柱状及其物理力学参数确定了其上覆岩层关键层个数和所在层位,并对该工作面坚硬岩层结构失稳尺度和失稳能量释放进行了计算,计算结果表明:在13200工作面回采期间,低、中位坚硬岩层初次失稳和周期失稳的释放能量均超过冲击地压发生的临界能量,是工作面发生冲击地压的主要影响因素;高位坚硬岩层上部的巨厚砾岩不会出现垮落失稳而释放冲击能量,不直接控制冲击地压的发生,是工作面发生冲击地压的次要影响因素。确定了13200工作面坚硬岩层结构失稳的防治措施,关键是通过减小低、中位坚硬岩层结构失稳尺度和失稳后释放的能量,以降低冲击地压的发生几率。研究结果可为其他具备类似坚硬岩层条件矿井的冲击地压控制提供重要参考。

坚硬覆岩条件下矿震诱发冲击地压机制与防治技术

为了保证济三煤矿53下01工作面的安全回采,采用了理论分析的方法建立了坚硬覆岩矿震诱发冲击地压的模型,根据上覆岩层的运动规律及能量传播过程,对矿震诱发冲击地压的机制进行了研究,并确定了强矿震的辐射区域,在强矿震的辐射危险区域采用大直径钻孔和顶板预裂技术进行卸压,并采用钻屑法对冲击地压实时监测,结果表明,卸压后危险区域最大钻屑量均未超过临界值(4.0 kg/m),小于冲击极限煤粉量,有效地预防了冲击地压发生的危险。

坚硬覆岩大倾角综采工作面安全开采保障技术研究

坚硬覆岩大倾角煤层开采面临坚硬基本顶大面积悬顶、液压支架倾斜挤架、煤壁飞矸、刮板输送机“上窜下滑”等典型问题,严重制约安全高效开采。基于工作面顶板载荷及垮落步距提出爆破预裂强制放顶;基于覆岩“三带”参数,构建超前疏放水体系;基于支架失稳、飞煤飞矸、刮板输送机下滑,构建采场管控措施;基于自然发火分析,构建注氮灌浆综合防灭火体系;基于LMSAC 1.0支架电液控系统、LASC高精度三维惯导定位系统、SAV视频监测系统,构建设备分机控制及设备集成控制,为实现大倾角煤层工作面安全高效开采提供了新技术与新思路。

坚硬覆岩顶板内部能量动态变化规律研究

针对宣东煤矿坚硬覆岩顶板工作面动力灾害频发的问题，在已有成果的基础上，通过数值模拟对回采过程中顶板内部能量变化规律进行定量化研究，结果表明：采动影响前，煤层、直接顶和老顶的内部能量分别约为40 kJ、80 kJ和40 kJ ，能量主要集中于直接顶；煤层开采后，浅层直接顶内部能量释放，范围呈“椭圆形”，回采距离在80～120 m过程中，直接顶发生首次垮落，老顶能量开始增加；回采过程中，在超前支承压力的作用下，工作面前方2m左右浅层直接顶内部产生能量集聚现象，峰值能量随开采距离的增加呈线性增长，E＝0．6836△l＋91．245（R2＝0．9996）；随着监测层位的上升，上述增幅变缓，采空区跨度不变时，顶板岩体峰值能量随深度的增加呈三次函数降低。

山区地形坚硬覆岩条件下地表沉陷规律研究

为掌握地表移动变形规律,在22105综放工作面上方设立地表移动观测站,进行了系统观测。结合实测资料和数值模拟,研究了潞宁矿区山区地形坚硬覆岩条件下的地表移动变形规律及特点,获得了相关岩移角值和沉陷变形预计参数。为矿区科学合理地开展"三下"采煤奠定基础。

高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带发育规律研究

为明确高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带在发育过程当中的一般性规律,本文以某煤矿综采工作面为研究对象,基于该工作面实际开采地质条件,借助包括现场实地测量以及相似材料模拟处理在内的两种技术手段对高强度综采背景下中至坚硬覆岩一次综放采全厚导水裂缝带发育高度参数予以了确定,在结合裂缝带发育高度参数实际观测资料的前提之下,对作用于高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带在发育过程当中的一般性规律的经验公式加以了详细分析与说明。本文同样证实了该经验公式能够作用于类似地质条件及综采条件下覆岩开采状态破坏高度参数的预计,进而为矿井井下综采工作面保水采煤作业措施的确定提供必要的数据支持。基于以上分析,本文从高强度综采工作面开采技术条件分析、高强度综采工作面实测结果分析、相似材料模拟实验结果分析以及高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带发育规律分析这几个方面入手,围绕以上方法与中心问题展开了较为详细的分析与阐述,希望引起各方关注与重视。

坚硬覆岩破断及其对矿压显现的控制

以同忻矿石炭系3-5煤层8015工作面为例,分析了坚硬覆岩破断特征及其对煤层工作面矿压显现的控制作用。应用关键层理论确定工作面坚硬覆岩的关键层及关键层的初次破断距和周期破断距,基于材料力学理论导出关键层破断与工作面支承压力的关系式,分析关键层破断对煤层工作面矿压显现的影响规律。结果表明,煤层工作面坚硬覆岩存在亚关键层I、亚关键层II和主关键层,3个关键层的破断导致工作面产生大小周期压力和复合压力,其中主关键层破断造成工作面矿压范围较大;理论分析方法揭示的矿压显现规律与现场矿压监测结果具有较好的一致性。

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。

中硬-坚硬互层覆岩导水裂隙带发育高度数值模拟及实测研究

评估导水裂隙带的发育高度是保障矿井安全生产的重要前提之一。以某矿11607工作面为工程背景,采用关键层判别、经验公式估计、有限差分数值模拟和现场注水实测手段,开展中硬-坚硬互层覆岩导水裂隙带发育高度研究。研究结果表明:关键层理论计算得出导水裂隙带的发育高度为55.77 m;现有三下开采指南及三下开采规范提出的经验公式仅针对某一类岩性,难以准确估计中硬-坚硬互层覆岩导水裂隙带发育高度;数值模拟得出导水裂隙带为马鞍型,高度为52 m;现场两个钻孔实测导水裂隙带发育高度分别为54.4 m和51.0 m。数值模拟和现场实测结果相近且落在经验公式计算范围内,为确保安全,取现场实测最大值54.4 m作为最终结果。本文研究成果可为相似地质条件下覆岩导水裂隙带发育高度的确定提供参考。

坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征模拟研究

针对工作面坚硬顶板破断及其动态演化易导致强矿压显现等问题,以门克庆煤矿为背景,通过相似模拟试验,深入了解和分析坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征。结果表明:低位坚硬覆岩初次来压步距为60 m,周期来压步距为20~30 m,覆岩结构由短砌体梁结构逐渐演化为采空区两侧形成的F型悬臂梁结构;中高位坚硬覆岩初次来压步距为130 m,周期来压步距为50~80 m,覆岩结构由长砌体梁结构逐渐演化为与低位坚硬覆岩共同在采空区两侧形成F型悬臂梁结构;坚硬覆岩纵向位移变化区域逐渐增大,采空区中部位移增量大于两端,顶板最大下沉量为5.69 m,位于采空区中部;中高位坚硬覆岩"大周期来压"与低位坚硬覆岩"小周期来压"协同作用,导致工作面出现强矿压显现,严重影响工作面安全回采。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指导意义。

济二矿覆岩离层水涌水机理与防治技术研究

以济宁二号矿113下05工作面采空区异常涌水为例,在分析其发生背景条件基础上,应用数值模拟研究了煤层开采顶板及覆岩中离层的分布位置,并利用井下钻孔实际监测验证了离层的存在及动态变化特征,提出了覆岩离层水形成的3个基本条件以及覆岩离层水涌水机理的静水压理论模式,最后提出了离层水防治的关键技术措施,并成功用于生产实践。

基于层次分析法的宁正矿区大埋深煤层冲击地压主控因素研究

工作面在掘进过程中不同的因素对冲击地压的作用不一样。为了探索深部开采条件下,影响冲击地压显现的各种因素,以某矿大巷掘进工作面为研究背景,对主要影响因素进行了分析,并利用层次分析方法对其进行了权重的确定,研究结果表明,开采深度、煤层厚度、褶曲构造及坚硬覆岩对大巷区域的冲击危险性有明显的影响,其中褶曲构造和坚硬覆岩的影响尤为显著。对工作面区域进行划分,以层次分析法(AHP)为基础,建立了一套冲击矿压影响因子权重评价体系,从而识别出各个区域的影响因子之间的权重差异。在确定了各个地区的主控因素之后,用大巷开挖时的各区域微震资料来验证结论,经过检验,微震资料和结果高度一致,由此证实了本论文的论点。结果对煤矿冲击风险定量评估具有一定的借鉴意义。

大同双系开采强矿压显现机理及控制技术探讨

本文总结了多年来大同矿区双系煤层开采时的顶板运移规律和控制技术方面的的研究成果;对坚硬顶板强矿压显现的特征、与冲击地压的区别等进行了分析;采用物理模拟、现场微震监测、地面钻孔高精度数字全景成像实测、井下数十个综放工作面矿压观测等综合研究手段对工作面强矿压显现的影响因素及机理进行研究的情况,分析了大同矿区双系开采条件下的综放工作面"强矿压显现"机理;介绍了现场经常采用的几种协同弱化改性的坚硬顶板预控技术,可为其他矿区有类似条件的矿井提供参考。

特厚煤层工作面长度对矿压显现的影响

为了分析特厚煤层工作面长度与矿压显现的关系,采用理论分析和数值模拟方法,从工作面支架载荷、覆岩破坏高度和采场围岩应力等方面进行了深入研究。根据普氏平衡拱理论,计算得到不同工作面长度支架所需的载荷;采用关键层理论,确定工作面长度大于178 m主关键层将发生破断,工作面开采将受到侏罗系覆岩采动影响;采用FLAC^(3D)数值模拟方法,对不同工作面长度的围岩应力进行了分析。研究表明:工作面长度的变化导致支架载荷、覆岩破坏和围岩应力发生变化,当工作面长度小于178 m时,有利于减弱矿压显现强度,避免强矿压的发生。

柳江煤矿河下采煤

对柳江煤矿在石河下试采的水文地质条件及开采效果进行了总结，给出了该地区长城矿计算导水裂缝带高度的经验公式。

宣东煤矿冲击地压危险性分析与防治措施

Ⅲ3煤层二采区是宣东煤矿的主采区,但是由于开采深度大、煤层赋存条件复杂、瓦斯含量高等原因,具有发生冲击地压的危险性。以Ⅲ3煤层二采区为例,从冲击地压的动力来源、释放介质、诱发因素三要素对发生冲击地压的危险性进行了分析,结果表明具有很高的冲击危险性。总结提出了冲击地压的防治三原则,在此基础上提出了有针对性的防治措施,并采用微震法和银屑法检验监测效果。生产实践表明,采取的措施对防治冲击地压的效果良好。