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。

坚硬顶板预裂弱化后应力场及裂隙场演化特征数值模拟研究

工作面上覆坚硬顶板,开采过程不易垮落,采场周围形成高应力场,易引发冲击地压与瓦斯异常涌出灾害事故。为确保安全生产,工作面回采过程中,需对坚硬顶板进行弱化处理,弱化后煤、岩层应力场、裂隙场演化特征是工作面灾害治理的依据和关键,通过理论分析获得顶板的初次来压步距和坚硬顶板分类,以宽沟煤矿I010202工作面为工程背景,利用UDEC数值模拟软件,结合矿井实际地质资料及相关煤岩力学参数,建立平面数值模型,对工作面开采过程中应力场及裂隙场演化特征进行模拟。模拟计算得出顶板弱化后应力场、裂隙场分布特征,为工作面冲击地压及瓦斯灾害治理提供了理论依据。

大倾角煤层坚硬顶板预裂弱化的数值分析

考虑了新疆焦煤集团大倾角硬顶软底松软煤层的特殊性质和赋存环境复杂性,利用FlAC3D数值模拟软件对预裂弱化前后顶板应力变化特征和运移规律进行计算对比分析,结果表明,FlAc3D数值模拟软件能较好地应用于现场,数值模拟结果对采煤工作面安全开采具有一定的理论参考。

预裂弱化对关键层板破坏特征影响的模拟研究

采用三维数值模拟软件FLAC3D,并结合祁东煤矿8222工作面具体开采条件,就预裂爆破对覆岩关键层板破坏特征的影响进行了模拟研究。结果表明,通过对关键层进行预裂弱化,改变了常规情况下顶板O—X型初次破断特征。顶板将先从开采空间中部弱化位置处产生裂缝,然后在两侧长边处开裂,最终在工作面两端形成一定的三角区,关键层的极限破断步距较常规情况下也明显减小。预裂弱化通过改变顶板的破坏特征,减小顶板的初次破断步距,进而避免厚硬顶板大面积破断引发压架等灾害。

坚硬顶煤预裂弱化爆破在大佛寺矿井的应用

在坚硬厚煤层中采用放顶煤开采方法,顶煤不易冒落,采用施工工艺巷,深孔预裂弱化爆破的方法,使顶煤抵抗外力破坏的整体强度预先降低,在支撑压力的作用下,及时垮落和破碎到放煤所需的程度,有效提高了顶煤回收率。

厚硬顶板预裂弱化后应力场及裂隙场演化特征数值模拟研究

工作面上覆厚硬顶板,开采过程中,若不经过弱化处理,易引起大面积悬顶,造成采场周围应力集中,工作面前方形成高强荷载源;工作面后方形成瓦斯存储库,顶板一旦垮塌易造成冲击地压及瓦斯异常涌出灾害的发生。因此,对于厚硬顶板要经过超前弱化处理,而摸清弱化前后采场周围应力场、裂隙场分布及演化特征是工作面灾害防治的基础和关键。通过UDEC数值模拟,结合矿井实际地质资料及相关煤岩力学参数,建立了平面数值模型。通过模拟计算,得出顶板弱化前后应力场、裂隙场分布特征。通过现场验证,模拟结果与现场实际吻合。这为顶板弱化及高位钻孔措施优化调整提供了理论依据。

坚硬主控覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度机制研究

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的情况下控制采动导水裂缝带发育高度的低损害开采技术构想。采用相似模拟,理论分析和数值模拟分析相结合的研究方法探究预裂弱化坚硬主控岩层控制导水裂缝带发育高度作用机制,并根据数值模拟结果提出含水层下坚硬覆岩预裂层位确定方法。研究结果表明:坚硬岩层相较于软弱岩层采动破断块度较大,采动破坏后整齐堆积于采空区,采动破坏膨胀量较小;不同层位坚硬岩层预裂弱化条件下采动响应存在显著差异,因此预裂层位选择将直接决定预裂弱化控制导水裂缝带高度效果;数值模拟结果显示中位岩层预裂和中、低位岩层同时预裂时导水裂缝带发育高度控制效果较好。研究成果为含水层下煤炭资源安全、高效和绿色开采提供了新的技术途径。

超前深孔预裂爆破弱化采煤工作面顶板及瓦斯治理技术研究

本文以河南能源新疆公司塔河矿业榆树泉煤矿1014综采工作面上隅角顶板大面积悬顶和上隅角瓦斯超限处理为研究对象,阐述综采工作面如何处理坚硬顶板和上隅角瓦斯超限问题,通过研究得出了可行性的技术参数,取得了显著的治理效果。

坚硬厚煤层综采放顶煤工艺巷预裂爆破开采技术

川宏煤矿6-2煤层为坚硬厚煤层,该煤矿6201工作面采用放顶煤开采时,遇到顶煤不易冒落、资源回收率低等问题。为解决这些问题,采用施工工艺巷、深孔预裂弱化爆破的方法将顶煤抗破坏强度预先降低。实践结果表明,采用该方法后坚硬厚煤层顶煤难冒落问题得到了有效改善。

坚硬顶板弱化条件下矿压显现规律研究

本文主要通过在8315综采工作面中液压支架布置压力传感器对石灰岩坚硬顶板预裂弱化处理后的顶板矿压显现规律进行观测,并采用动压系数作为判断顶板来压强弱的指标,主要得到如下结论:上覆石灰岩坚硬顶板预裂处理后,直接顶岩层的初次垮落会伴随着不同程度的煤壁片帮现象的发生,石灰岩坚硬顶板弱化处理后的初次来压和周期来压步距分别为18 m和13.1 m,平均动载系数分别为1.74和1.72。

坚硬顶板大倾角软煤综采安全技术探析

同宝煤业15105综采工作面开采的15号煤层为典型的坚硬顶板大倾角软煤,工作面回采过程中面临煤壁片帮、顶板冒落以及支架失稳等风险。为此,提出使用深孔预裂爆破弱化顶板,注浆提高煤体承载能力及稳定性,支架顶梁铺设金属网及工字钢梁过煤体破碎区,采取严格控制采高等措施提高支架稳定性。现场应用表明,工作面回采期间顶板冒落、煤壁片帮以及支架失稳等问题基本得以解决,取得较好应用成果。

硬厚岩层破断机理薄板分析及控制技术

以某矿1007工作面直接顶缺失上覆硬厚砂岩岩层条件为工程背景,建立了硬厚岩层两临边固支一边简支一边自由薄板力学模型,研究了薄板应力分布特征,得到了直接顶缺失一侧采空硬厚岩层破断步距计算公式。薄板拉应力最大点在倾向固支边(x=0,y=13b/10π)处和走向固支边与自由边交角点(x=a,y=b)处,实际应力最大点位置受覆岩悬跨系数k影响。对双层硬厚砂岩岩层实施下位硬厚岩层旋转扇形深孔预裂弱化和上位硬厚岩层拉槽截断深孔爆破综合弱化技术,上位硬厚岩层运动步距降低25.7%,下位硬厚岩层实现由基本顶向直接顶的转化,降低了工作面因大面积悬露顶板突然运动引燃隅角积聚瓦斯的风险。