深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己14和己15深部近距离煤层群工程实践,在己15-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己14煤层底板破坏深度理论值约21.24~30.88m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现“近线性增长—跃阶式降低”两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己15煤层采动影响范围约105m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。

深部煤岩三轴破断行为与能量释放的加载率效应试验研究

以同煤特厚煤层开采扰动为工程背景,联合AE微破裂探测技术,在实验室尺度下开展不同加载速率下煤岩三轴力学参数、损伤破断行为以及能量演化差异性规律研究。研究结果表明:在不同加载速率下,煤岩力学行为存在显著差异,均存在临界加载速率区间0.054~0.108 mm/min;随着加载速率的增加,煤岩三轴强度先降低后逐渐升高,宏观裂隙数量及长度最小值发生在加载速率为0.018 mm/min的条件下;煤岩试样内部AE事件数及AE事件能量量级随加载速率增加逐渐演化,煤岩试样损伤变量随加载速率总体符合二次函数关系;煤岩总能量、弹性应变能及耗散能均随着加载速率的增大呈现先减小而后上升最后趋于稳定的演化过程,推测加载速率效应与外部围压效应存在博弈,从而导致煤岩力学行为的加载率效应。

特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究

特厚煤层超前采动应力演化规律是顶板控制的基础,但目前缺乏现场采动过程应力演化的研究成果。依托同煤集团同忻矿8309工作面,进行了特厚煤层采动应力演化规律原位实测研究。现场试验结果表明:随着工作面推进,前方煤岩扰动强度不断增大,支承压力由原岩应力逐渐上升至峰值强度,然后随着煤岩的破坏开始下降至残余强度;侧向水平应力则呈现出阶段性稳态降低的趋势。根据支撑压力规律,工作面前方煤岩具有扰动分区化特征:该试验点工作面前方200 m以上为未扰动区域;工作面前方100~200 m为弱扰动区域;工作面前方50~100 m为强扰动区域;工作面前方50 m以内为剧烈扰动区域,结合工作面前方不同区域扰动强度提出了针对性的分区支护措施建议。研究成果可为室内开展扰动应力路径加卸载试验和特厚煤层现场安全高效开采提供指导。

跨断层隧道衬砌变形规律及损伤机理研究

陆地交通的直线化趋势使得跨断层隧道不可避免,该类工程是隧道衬砌发生变形破坏的主要事故区间。断层破碎带的基本参数宽度、倾角对于判别断层错动影响下隧道稳定性具有重要的意义。以现场监测与数值模拟相结合的手段,探索了断层错动对跨断层隧道的影响及破坏特征。以地处西部地震多发带、地震基本裂度为Ⅷ度的隧道为工程背景,基于现场实测数据,对断层宽度20 m、倾角70°,以及断层宽度8 m、倾角65°的跨断层隧道变形及破坏机理进行分析。进一步运用ABAQUS数值模拟探索了不同断层宽度(10、20、40 m)和倾角(65°、75°、85°)的断层错动对跨断层隧道的变形及破坏影响特性,揭示了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应力、应变、位移的影响机制。结果表明:断层错动影响下,隧道衬砌位移、应变、最大主应力受断层宽度的影响较小,受断层倾角的影响较大。断层宽度、倾角的变化对跨断层隧道衬砌位移的变化影响较小,隧道拱顶、拱腰、拱底的位移变化趋势大致相同。围岩结构面粗糙度的增加会减小隧道位移值的变化,但对位移变化趋势的影响较小。跨断层隧道衬砌应变的变化范围受断层宽度、倾角影响较小;随着断层宽度的增加、倾角的减小,隧道衬砌的应变逐渐增大。通过分析不同断层宽度、倾角组合下隧道衬砌应力特征,发现断层宽度越小,倾角越大;衬砌最大主应力受影响范围越小,隧道衬砌越危险。研究结果有望对跨断层隧道的施工建设提供参考与指导。

深部岩芯饼化现象的应力机制探索

岩芯饼化是深部工程区高地应力现象的典型表现之一,其饼化形貌特征一定程度上可以反映地应力大小与方向。依托世界埋深(2 400 m)最深的锦屏地下实验室,开展现场取样,详细记录不同孔号、孔向的饼化岩芯。基于3维蓝光LED非接触式扫描技术,获得了岩饼断面和侧面离散点精准3维数据,重构了岩饼断面和侧面的精细形貌,观察了岩饼的整体形态及端面错台的分布情况。同时,开展岩饼不同类型形态及不同方向剖面迹线的分形特征研究,并结合数值模型探讨了岩芯残根不同位置应力分布特征对岩芯饼化现象的影响。结果表明:岩饼断裂端面有4种表现形态,其中典型的形态为岩饼周边出现错台和岩饼呈现单侧变薄形态;岩饼端面剖面迹线最大分维值的方向与最大主应力分力方向一致。裂纹扩展可分为两种情况,从岩芯径向向内发展贯穿和从岩芯轴向开展,前者产生一侧偏薄、一侧偏厚的岩饼,后者会产生灯盏状破坏并在断面外围位置出现错台;前者反映了处于三向不等地应力条件下的岩芯裂缝将沿较大主应力方向扩展,后者探讨了钻杆钻进过程旋转和地应力共同作用下产生饼化现象的原因,反映了深部岩芯饼化现象的应力机制。研究结论可望为分辨饼化现象的成因及判识所处工程区地应力环境提供一些有益的参考。

大面积冒顶工作面分析与控制

基于大采高工作面易发生冒顶问题,依托大同某矿大采高工作面,结合现场的反馈情况,提出开挖补巷处理工作面大面积冒顶,采用数值模拟分析巷道的合理位置及冒顶对巷道的影响。研究结果表明:同样支护条件下巷道距冒顶工作面5 m和8 m处支护效果相差不大,变形都不严重,补巷的合理位置应为距冒顶区5~8 m处;通过改变顶板的稳定性来模拟冒顶的严重程度,顶板稳定性较差时巷道变形破坏情况较为严重,冒顶越严重,巷道越易产生变形、破坏。

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。