巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律及区域性控制研究

论文以东胜煤田营盘壕煤矿为研究对象,通过试验研究弱胶结砂岩的物理力学性能及微观结构结构特征,对比分析东西部深部矿区岩石力学性质、覆岩结构特征和地表移动变形规律的差异,明确导致巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉偏小的影响因素。然后,利用力学分析、数值模拟和物理模拟手段研究巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律,上覆岩层运动与破坏特征,并提出巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层运动控制方法,具体成果如下。

岩层运动并行计算系统StrataKing及云平台StrataKing.UniXDE参数确定原则及应用

StrataKing(SK)及StrataKing.UniXDE(SK.U)是针对采动诱发岩层运动的首款GPU并行计算系统和云平台。介绍了主要参数的确定原则。单元尺寸的选取应综合考虑GPU的性能和计算精度。准静力计算时,局部自适应阻尼系数尽量接近上限取。通过浅埋厚煤层岩层运动模拟,展示了SK的大规模计算能力、丰富功能和鲜明矿业特色。对本文结果与相似材料模拟实验结果的异同进行了分析。对已经处于试用阶段的SK.U的使用进行了介绍。

近水平煤层开采上覆岩层运动与沉陷规律相关研究

将近水平煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统进行研究,论述了采场上覆岩层的运动规律和裂隙拱的形成及发展变化过程。并结合地表沉陷的GPS观测,确定了针对具体地质条件的地表移动变形边界角、移动角,找到了井下工作面推进位置与地表下沉速度之间的关系。

煤矿采场岩层运动与控制研究进展--纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线,综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展,并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律,揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方;煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压,咬合形成“砌体梁”结构;发现了“砌体梁”结构的滑落(S)失稳和回转变形(R)失稳模式,建立了S-R失稳的力学条件,提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法,首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说,为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展,如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上,钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论,建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系,实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究,在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果,为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论,基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术,复杂条件岩层运动规律,岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

煤炭开采与岩层运动

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成"大变形"结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个"黑箱",目前仅仅在控制原理上得到解释,达到"灰箱"程度。因此,岩层控制在很多场合只能是"宏观"控制。"砌体梁"结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。

断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究

为解决断层影响区域回采巷道的支护问题,必须了解回采巷道顶板岩层运动变形特征.通过相似材料模拟试验,建立平面应力模型,分析研究断层下盘煤层开采后,在其上盘煤层中开掘巷道,巷道顶板的位移和巷道变形特征.结果表明:在断层影响区域,在水平方向上,回采巷道顶板岩层出现与断层倾向基本一致的垂直裂缝,顶板表现出不连续性.在垂直方向上,顶板离层出现不均匀沉降,顶板岩层特别是顶板下位岩层向断层方向倾斜.巷道围岩破坏不具有对称性,紧靠断层顶底板破坏严重.在回采巷道支护方式选择上,应用U型钢支护效果优于锚杆支护.

矿山岩层运动非线性动力学反演预测方法

根据非线性动力学观点，提出了岩层运动预测的反演建模方法。研究表明，由于岩层运动的内在非线性机制，进行长期预测将会有较大误差，而对岩层运动进行短期动态新息预测是实现可靠预测的可行途径。文中的方法对煤爆、岩爆等动力现象的预测研究具有一定的参考价值。

“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理

针对"C"型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采空孤岛采场动压致灾机理。结合工程实践,基于微地震定位监测结果揭示"C"型覆岩空间结构应力分布和变化特征,验证了"C"型覆岩空间结构采场采动阶段诱发动力灾害规律。

梯形荷载下的采场顶板岩层运动及支架承载计算研究

在经典实用矿压理论的基础上,通过简化岩梁荷载为梯形荷载,建立了采场支架围岩结构力学模型,重新推导了基本顶初次来压和周期来压的计算公式。利用新公式,结合汝箕沟煤矿32211综采工作面的开采实际状况,计算了基本顶初次来压步距和周期来压步距,并对比了经典实用矿压理论的计算结果及实测数据。研究表明,新公式计算的结果更接近山地开采条件下的实测数据,对煤矿的安全生产起到了指导作用。

基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究

为研究采场上覆岩层运动过程中的应力应变,将准分布式布拉格光纤光栅技术(FBG)和基于脉冲预泵浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术(PPP-BOTDA)联合应用于相似材料模型试验的测试中。在2 m平面应力模型内埋设2根分布式传感光纤和2个光纤光栅应变传感器,模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm,几何相似比1∶250,测试主关键层由弯曲下沉发育至断裂的变形运动过程。试果表明,2煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了岩层的连续变形下沉,曲线中间位置出现应力集中;3煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了发生断裂的岩层运动,断裂后的岩层应力得到释放;连续变形下沉的岩层FBG传感器应变曲线呈宽缓峰状,应变值达到4 367.48με;断裂的岩层曲线呈尖峰状,最大应变值达到4 892.82με.实现了模型试验中主关键层由连续体转变为半连续体过程的实时监测。

大倾角煤层上覆岩层运动规律的实测研究

通过对平煤集团十三矿已_(15～17)&—12041工作面设立矿压观测站的实测结果,分析了大倾角煤层上覆岩层运动规律工作面矿压显现规律,为该矿的在已组(大倾角)煤层开采的工作面矿压管理提供了科学依据。

采场顶板岩层运动及稳定性的观测研究

确定直接顶和老顶岩层的运动范围及稳定性对准确的顶板控制设计十分重要,本文介绍了崖头煤矿用简单的观测方法和观测工具通过常规矿压观测分析确定顶板岩层的组成、厚度和稳定性,具有一定的实用性。

急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究

相似材料模拟试验是研究矿山压力及围岩运动的重要手段.本文以平顶山煤业(集团)有限责任公司十三矿己15-17—12041工作面为模拟对象,对己组煤开采上覆岩层运动规律进行相似材料模拟试验,通过对模拟试验结果分析,得出己组开采上覆岩层的运动规律.

长壁开采工作面上覆岩层运动模式

基于煤系地层的层状岩体结构特征 ,对煤矿长壁开采工作面上覆岩层的活动特点和过程进行了深入的分析 ,由此提出了上覆层状岩体运动的 3种基本模式 ,并对离层的类型和控制特点进行了分析 此项研究对长壁开采条件下地表沉陷及岩层移动的控制具有指导意义 图 2 ,参

倾斜煤层长壁开采岩层运动特征及顶板控制

采用了现场测试法 ,用相似材料模拟实验研究了倾斜方向岩层运动与围岩应力分布及用离散元法模拟围岩运动特征等方法 ,得到了以下结论 :( 1)煤层倾角导致岩层运动与破坏以及围岩应力分布差异很大 ;( 2 )采空区充填程度不同 ,沿工作面倾斜方向 ,下部充填较密实 ,而上部则处于空置状态 ,由于顶板支撑条件不同 ,从而导致顶板挠曲差异很大 ,经常出现上部断裂而下部完好的状态 ;( 3 )倾斜煤层开采导致的岩层运动比缓倾斜煤层强烈 .要求工作面支护既有足够的强度 ,更要确保其稳定性 .图 5 ,参 5 .

放顶煤开采上覆岩层运动现场观测法

本文论述了放顶煤开采中对老顶、直接顶和顶煤活动规律进行现场观测的方法,应用这些方法在许多局矿的观测中取得了较为满意的结果。

采面上覆岩层运动和破坏的基本形式

本文分析了采煤工作面上覆岩层运动破坏的两种形式,弯拉破坏和剪切破坏,并给出了不同运动形式破坏发生的力学条件,采场矿压显现特点以及控制要求方面存在重要差别,这是在煤矿生产过程中要特别注意的。

矿区岩层运动非线性动力学特征及预测研究的基本框架

本文把声发射作为序参量描述了岩层运动过程中的自组织性 ,通过 L yapunov指数的计算对岩层运动过程中的混沌性进行了分析 ;提出了确定系统独立变量数目的准则和利用自组织映射神经网络确定独立变量类型的方法 ,最终建立了岩层运动的非线性动力学反演预测方法 ,从而构成了岩层运动非线性动力学预测研究的基本框架 ,这对地震、煤矿冲击地压等地质灾害的预测具有重要参考价值。

关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题

应用内外应力场理论，根据鲍店煤矿的生产实践，结合实验室相似材料模拟研究，对分层开采，网下综放，全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙带高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，并建立了相应的计算模型，为现场综放回采工作面。

基于微地震监测的近水平厚煤层上覆岩层运动规律研究

为了研究煤矿井下工作面采动对上覆岩层运动规律的影响,以察哈素煤矿近水平厚煤层31313工作面为工程背景,分别从微震事件整体分布范围、岩层中的不同高度分布、微震频次与周期来压关系等方面对岩层移动规律,以及采动影响下煤体破裂范围进行研究,并运用数值模拟软件3DEC进行验证。研究结果表明:发生在不同高度层位的破裂事件具有不同的周期性,一般高位岩层的周期包含若干个中位岩层的周期;采场上方岩层18 m内为直接顶,18~60 m内为基本顶;由微震事件分析得到的周期来压步距是实际来压步距的2倍;采用微地震监测技术可真实有效反演采场上覆岩层的运动规律。研究结果能为微地震技术判识岩层运动规律提供参考。