井上下微震联合监测震源垂直定位精度优化研究

震源垂直定位位置是煤矿冲击地压机理研究的重要基础数据,对冲击地压灾害的监测与防治研究具有重要意义。对于近水平煤层工作面,由于各微震台站之间高差较小,导致在进行震源定位计算时,震源参数的偏微分矩阵接近奇异,迭代计算无法收敛到准确解。对台站合理高差和无高差两种情况下的煤矿微震台网进行仿真模拟,结果表明当台网内台站处于同一水平面时,震源垂直位置的定位误差较大。为了解决这个难题,笔者在井下微震监测台站的基础上,增加了地面微震监测台站,形成井上下联合监测台网,有效优化了微震监测台网的空间结构,尤其是台站在垂直方向上的分布效果。对红庆河的微震数据进行分析可知对于2次方的微震事件,井上下联合监测系统的监测效能可达90%,3次方及以上的微震事件可达100%。通过对比10组井下断顶爆破引发的微震事件数据,发现井下微震监测系统定位结果基本位于煤层上方30 m的封孔范围内,井上下微震联合监测系统定位结果基本位于煤层上方30~60 m的爆破孔装药长度范围内;与单纯利用井下监测台站的定位结果相比,井上下微震联合监测系统的定位结果普遍距离真实震源更近,表明地面监测台站的加入有效提高了震源的垂直定位精度,解决了近水平煤层微震事件垂直定位误差较大的问题。

多层坚硬顶板采场覆岩“拱壳”大结构形成机理研究

为得到多层坚硬顶板采场覆岩"拱壳"大结构形成机理,以大同矿区同忻煤矿石炭系多层坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,基于关键层理论分析了同忻煤矿3-5煤层特厚煤层综放开采多层坚硬顶板的破断特征和大空间采场覆岩结构特征;应用弹性板理论,建立了大空间采场坚硬覆岩"拱壳"平衡大结构力学模型和数学模型。研究表明:坚硬覆岩"拱壳"平衡大结构理论,较好地揭示了同忻煤矿8105、8106等工作面开采过程中产生大小周期来压、采动影响范围大、易产生强矿压等特殊矿压现象的机理。研究成果为大同矿区石炭系坚硬覆岩特厚煤层开采工作面矿压控制提供理论依据。

低透煤层保护层开采卸压效果试验

目前保护层开采卸压效果考察多以现场打钻测试被保护层瓦斯参数变化为主,为了更加系统、方便地掌握保护层开采过程中上覆被保护层裂隙发育、应力状态、膨胀变形及渗透特性变化情况,可综合运用试验手段对保护层开采卸压效果进行多指标评判。因此,基于常规相似材料模拟平台,应用渗流力学理论,开发出被保护层渗透特性测试系统,并以长平煤矿保护层开采为工程对象进行研究。结果表明:长平矿主采3#煤层作为被保护煤层,处于下保护层8#煤层开采所产生的裂隙带顶部,具备卸压增透的初始条件;伴随着8#煤层工作面的开采,上覆岩层次生裂隙经历了起裂、发育、张开、闭合等过程,3#煤层均经过增压区、卸压膨胀区、恢复区的转变,其膨胀变形量曲线大体呈"M"型分布,最大膨胀变形率约为0.774%,平均膨胀变形率约0.60%,大于0.30%;3#煤层渗透率同样经历动态发展过程,其原始渗透率为0.034×10^(-14)m^2,卸压区内最大渗透率1.125×10^(-14)m^2,为原始状态的33倍,增压区内渗透率有所下降,但仍远大于原始渗透率。因此,长平矿保护层开采使被保护煤层具备良好的卸压增透效果,进而为3#煤层卸压瓦斯渗流-运移规律及卸压瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。

下保护层开采参数与保护效果定量关系研究

保护效果分析是保护层开采工程中开采参数确定和卸压瓦斯抽采方案设计等环节的重要依据。为了分析下保护层开采过程中不同开采参数对被保护层保护效果的影响,应用数据统计分析法研究了下保护层开采参数与保护效果的定量关系,并应用数值模拟方法进行了验证分析。通过统计分析16个下保护层开采矿井的样本数据,确定保护层采高为1.5、2.0、3.0 m条件下随着相对层间距的变化,被保护层原岩应力、透气性系数及瓦斯压力等参数与保护层开采参数呈二次函数关系。COMSOL数值模拟方法揭示了保护层采高为1.5、2.0、3.0 m条件下,相对层间距为15、20、30和40倍时,被保护层透气性系数渗透率的增加倍数和原岩应力减小率随着采高和相对层间距的变化同样为二次函数关系。2种研究方法得到了一致的函数关系趋势,进一步表明数据统计分析法建立的开采参数与保护效果函数关系的科学性。

保护层开采被保护层裂隙分布与增透效果相似材料模拟

保护效果是保护层开采方案设计的重要依据,为了研究保护层开采时被保护层的裂隙发育特征与卸压增透效果,以相似材料试验模型为基础,设计了保护层开采被保护层渗透性箱式可伸缩式测试系统,包括进气系统、可伸缩箱式渗透特性测试系统和集气系统三部分,以长平煤矿保护层开采为例,开展了保护层开采渗透性测试试验。结果表明:保护层开采过程中,覆岩裂隙发育至被保护层直接顶范围,被保护层地层应力得到有效释放,充分采动区卸压系数为27.8%~32.2%,最高达46.9%;被保护层增透效果与采动应力呈负相关关系,原岩应力区渗透率不变,支承应力区渗透率降低8%~56%,卸压区渗透率增大14.5倍;随工作面推采,卸压区域逐渐扩展,被保护层增透区域也逐渐增大。最后,根据试验结果讨论了试验系统的缺点及改进建议,为下一步的研究提供指导。

保护层开采被保护层膨胀变形分析方法

基于传统的膨胀变形特征分析多是对被保护层在法线方向上通过测量两个定点的距离变化来表征,这种从"两个定点"距离变化角度分析膨胀变形的方法只考虑被保护层在法线方向上的变形特征,不能反应出被保护层的横向变形。针对计算结果不能全面、准确的反应煤岩体的膨胀变形特征问题,首次提出了保护层开采过程中被保护层膨胀变形的"四个定点围域面积"分析方法,该方法通过面积膨胀变化分析被保护层膨胀变形特征。研究分析了在开采实践和实验室中"四个定点围域面积"的监测方案、面积分析计算方法和"四个定点围域面积"的合理尺度。以沙曲矿多煤层开采相似模拟为背景,分析了不同尺度下"四个定点围域面积"分析法的精度。研究表明,"四个定点围域面积"分析方法较"两个定点"分析方法精度更高,被保护层厚度1倍尺度围域内划分的面积单元格越多,膨胀变形计算精度越高。

浅埋煤层综放工作面支架合理支护强度确定及其应用

为了研究浅埋煤层综放工作面支架的合理支护强度并分析其矿压特征,以神东某矿12301工作面为例,确定了工作面顶板的类别,通过理论计算按工作面最大采高、支架承受载荷以及动载荷对所选用的型号为ZY11000/25/50的支撑掩护式支架的支护强度进行了分析,并根据支架工作阻力监测数据对支架的应用效果和工作面的顶板活动规律进行了研究。结果表明:工作面所选用的支撑掩护式支架的初撑力统计合格率为62.8%,支架初撑力整体利用率较高,该型号支架能够完全适合支撑顶板。根据支架工作阻力监测数据得到,直接顶初次垮落步距平均12.78m;基本顶初次来压步距平均66.88m;整个工作面基本顶周期来压步距最大为67.1m,最小为11.8m,周期来压步距平均32.5m,来压强度缓和;其中,基本顶显著来压期间,来压强度平均为30.0 MPa。确定该支架能够适应该类工作面的顶板活动规律。

浅埋近距离房式采空区下应力场分析及动压机理研究

针对因房式采空区煤柱留设情况复杂,煤柱底板应力传递相互叠加,周期来压异常,霍洛湾煤矿3-1煤层过上覆2-2煤层房式采空区强矿压及动压现象的问题,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,建立了2-2煤层房式采空区复合煤柱底板传递规律模型,探讨了出煤柱时顶板覆岩结构,揭示了煤柱影响条件下3-1工作面"高应力-煤柱-覆岩运动"联合作用动压机理。研究结果表明:2-2煤层房式采空区大煤柱下的水平与垂直应力较高,达9.7～15.3 MPa;垂直应力影响深度为42～58 m,水平应力影响深度为10～23 m,剪应力波及范围25～50 m;当3-1煤层工作面在20 m或50 m宽煤柱下开采时,超前支承应力较大,应力集中系数高达4.44～5.00; 3-1煤层工作面出大煤柱时的动压现象是由上下煤层应力叠加、煤柱上方倒梯形岩柱失稳与顶板垮裂运动联合作用的结果,可指导霍洛湾矿3-1煤层安全开采。

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3^-1煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3^-1煤层矿压显现的影响特征。结果表明：2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3^-1煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%-14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3^-1煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%-32%;揭示了3^-1煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3^-1煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3^-1煤层工作面来压步距为12-14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10-11 m;相似模拟表明,3^-1煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。

长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析

为研究长平矿下保护层开采问题,依据长平矿的地质条件制作相似材料物理模型,在下保护层开采过程中,分析上覆岩层的运动规律和被保护层的应力分布,并用面积膨胀变形率考察被保护层的膨胀变形效果.保护层开采完毕后,得出垮落带和裂隙带高度分别为保护层采高的6倍和20倍,且被保护层位于裂隙带的中上部.随工作面的推进,被保护层的应力依次呈＂V＂、＂U＂和＂W＂型分布,最大卸压系数为47%;根据上覆岩层的应力变化得出保护层开采完毕沿走向的卸压角为60°.被保护层的最大膨胀变形率为7.7‰,模型开采完毕后,在工作面后方25~125 m被保护层的膨胀变形率均大于3‰.试验为长平矿下保护层开采被保护层卸压效果分析、巷道布置等提供理论依据.

保护层开采被保护层体积应变与渗透特性相似模拟研究

保护效果分析是保护层开采的关键技术之一,体积变形与渗透特性是评价保护效果的核心指标。以长平矿3号煤层下保护层开采防治瓦斯灾害为工程背景,基于实验室相似模拟研究平台,根据体积应变特征研究被保护层渗透特性演化规律,提出了"四定点围域面积"分析方法,应用其研究被保护层在采动应力变化条件下体积应变特征;建立了体积应变与渗透率相关性数学模型,揭示了被保护层卸压煤岩体渗透特性演化规律。研究成果表明:下保护层工作面推进过程中,被保护层煤体体积应变在空间上依次呈∧型、π型和马鞍型分布;在保护层开采过程中被保护层最大压缩变形率为0.723%,最大膨胀变形率为0.77%。下保护层开采过程中,被保护层煤体渗透性演化规律总体呈马鞍型发展趋势,被保护层在拉伸蠕变阶段渗透率最大增加129%,在采空区覆岩压缩密实阶段渗透率平均增加82%,在压缩稳定后渗透率平均增加43%。研究成果揭示了长平矿下保护层开采过程中被保护层渗透特征演化规律,为被保护层卸压效果评价、卸压瓦斯治理方案确定提供了理论依据。

乌东矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征研究

为研究急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征,基于急倾斜特厚煤层工作面顶板赋存条件并结合弹性力学,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板力学模型。通过力学模型分析,推导出急倾斜特厚煤层水平分段开采后顶板沿工作面倾向方向的岩板破断判据及挠度公式,应用三角级数方法对挠度公式进行求解,确定了顶板沿倾向方向上最大挠度发生的位置关系式。理论研究成果在乌东矿南采区B1+2急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中的工程应用表明,工作面沿倾向方向上推进到385 m时顶板发生破断,倾向方向顶板最大挠度坐标位置为y=325.78 m,顶板沿工作面倾向方向的最大挠度位于采空区中部偏下位置。表现为急倾斜特厚煤层顶板在工作面上方的非对称性破断;相似材料试验进一步验证了顶板挠度公式的合理性。

基于井上下微震联合监测技术的矿井防治水应用研究

基于矿井的地质条件和开采条件,构建井上下一体化微震监测台网,提出了一种井上下微震联合监测技术,对井上下联合微震监测结果在垂直方向的空间分布特征和数量特征进行了分析,并对微震事件分布规律与导水裂隙带发育高度的关系进行了研究。研究结果表明:微震事件在平面位置主要集中在工作面两端,且工作面回风巷侧应力集中程度明显高于运输巷侧,垂直方向上微震事件主要集中在煤层上方0~80m范围内,微震事件数量在顶板以上80m后急剧减少,得出导水裂隙带的最大发育高度在煤层上方80m左右范围内;其中,工作面煤层上方0~20m为垮落带,20~80m为采动裂隙带,微震监测结果与理论计算基本相一致。

大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

为研究工作面回采过程中,在经历不同的采空边界条件下,工作面不同覆岩空间结构变化及对矿压显现的影响,基于理论计算、微震监测、应力在线监测等方法,对母杜柴登煤矿30202工作面回采期间所形成的不同覆岩结构类型进行分析,得到不同覆岩空间结构下强矿压显现特征及危险区分布规律。研究结果表明:30202工作面回采过程中,先后经历“一面为自身采空区,三面为实体煤”到“两面为采空区,两面为实体煤”的边界条件,其覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。工作面在“一面采空”条件下,回采过程中发生强矿压的危险性较小;工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中,其临近已采工作面采空区侧及其端头煤发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加;在“两面采空”条件下,本工作面高位岩层与相邻采空区上覆未回转下沉的高位岩梁容易产生连动,形成高位、跨度大的岩梁失稳,使得30202工作面回风巷侧在叠加应力影响下容易发生强矿压。研究结果可为工作面在不同开采条件下采场矿压特征分析、顶板控制和巷道支护设计提供一定借鉴。

深部厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理及可压裂性评价

为了探究深部厚硬岩层对冲击地压的影响以及分析岩层的可压裂性,提出了采用地面水平井压裂技术对采场上覆厚硬岩层进行压裂控制,通过改变厚硬岩层的破断特征,达到降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,并通过试验分析,得到上覆厚硬岩层的脆性系数、脆性矿物含量、黏土矿物含量、成岩作用等参数,综合定量评价厚硬岩层的可压裂性大小。研究结果表明:在厚硬岩层中产生的水平或垂直裂缝面,均有助于减弱厚硬岩层破断失稳引起的下伏回采空间的矿压显现;红庆河煤矿顶板主控岩层脆性系数为67%、黏土矿物含量为28.46%,脆性矿物含量为60.82%,镜质体反射率R;为0.52%,数据表明主控岩层具有较高的可压裂性,可为后续地面水平井压裂技术的实施提供参考。

非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征研究

在非对称开采条件下,工作面受上覆岩层自重应力、超前支承应力、采空区侧向支承应力和回风巷煤柱应力等“多向应力”叠加影响,使得工作面应力呈“非对称”性。为研究非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征,基于微震监测、应力在线监测和理论计算,对母杜柴登煤矿30202工作面回采过程中所形成的非对称开采条件下的应力变化进行分析;并基于工作面所受应力条件和围岩体结构条件,分析了“多向应力”叠加显现机理。结果表明:30202工作面回采期间,煤柱支承应力沿走向分为应力升高区、应力明显降低区、应力缓慢降低区和应力稳定区,其应力峰值主要集中在工作面前方40 m左右,应力集中系数平均为1.61;在非对称开采阶段,在走向方向工作面超前支承应力影响范围较回采初期增加了100 m左右;在不考虑垂直应力影响的情况下,相邻工作面采空区的侧向应力对30202工作面倾向方向的影响范围为44 m,应力最大值为56.1 MPa。在“多向应力”耦合作用下工作面在回采过程中产生能量集聚,并在采动扰动下发生能量释放,满足了大能量事件发生的基本应力条件;同时在扰动条件下采空区发生高位顶板错动,以及围岩支护薄弱为大能量事件的发生提供了围岩结构条件。研究结果可为工作面非对称开采条件下采场矿压显现规律研究、顶板控制和巷道支护设计提供指导。