榆神矿区多层厚硬顶板强矿压显现及覆岩破断运动规律研究

针对榆神矿区多层厚硬顶板条件下工作面强矿压和邻空侧巷道变形严重问题,综合采用理论分析、数值计算和微震监测方法,分析了多关键层结构下顶板覆岩破断和邻空侧巷道围岩应力特征。研究结果表明:多层厚硬岩层条件下,顶板破断垂向位移和能量均呈现明显的“低、中、高”分区特征,中高位岩层破断明显滞后于低位岩层,这构成了工作面“大、小周期”的重要结构基础;本工作面开采时,相邻采空区破碎顶板大能量微震事件增多、破断强度较高,并可对邻空回风巷围岩形成强二次采动影响,这是邻空侧回风巷高应力、强变形的主要诱因。同时,高低位多关键层组合破断可导致“大周期”来压发生强度和风险上升,对关键层顶板破断运动规律进行控制是降低“大周期”强度和频率的有效途径之一。

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。

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果:①孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;②401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;③井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂岩等是矿井冲击地压灾害的主要诱因,对上覆高位坚硬厚层砂体进行区域水力致裂弱化,可显著降低矿井冲击地压风险。

坚硬顶板周期来压覆岩破断力学机理研究

坚硬顶板破断运移规律一直是采矿领域研究的热点,针对覆岩内部破断裂隙分布不明晰的问题,以砌体梁理论中的关键块体为研究对象,建立了线性增压荷载下悬臂梁模型,根据弹性力学应力逆解法,在艾里应力函数满足双调和方程的基础上,采用叠加原理推导并验证了满足模型应力边界条件的内应力分量解析解。在此基础上,以Mohr-Coulomb屈服准则作为破断判据,推导了破断迹线隐函数方程式。采用Matlab软件计算和绘图得到了破断迹线,通过算例校验分析了岩石黏聚力、内摩擦角对破断迹线的影响规律,验证了破裂迹线求解的正确性。这对于进一步认识覆岩破断力学机理具有一定的意义。

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。

近距离煤层厚硬顶板综放开采强矿压显现规律研究

针对厚硬顶板大采高综放工作面回采过程中强矿压的现象,以神东矿区某矿井近距离煤层厚硬顶板综放工作面为背景,通过现场实测和室内试验等方式,研究工作面矿压显现规律及覆岩破断特征。研究表明:(1)42105综放工作面老顶初次来压步距大,来压强度高,远超工作面支架额定工作阻力,工作面呈现出中部来压集中、强度高且较为频繁的特征;(2)近距离厚硬顶板下回采工作面时,重复采动下工作面覆岩破坏高度更大,尤其是上位关键层破断后带动下位关键层同时破断,并带动其控制的上覆岩层及上方采空区同步下沉,岩层载荷逐层向下传导至工作面,上下位关键层破断的协同作用,从而造成了工作面来压强烈。

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场,坚硬顶板断裂扰动波及范围广,工作面来压具有强矿压特征,尤其当煤层顶板“见方”开采期间,采场矿压作用更加强烈。据此,采用现场实测和物理三维相似模拟方法,探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律,实测结果表明,特厚煤层开采过程中,煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进,顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉,滞后工作面一定距离;地表岩移观测结果表明,特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动,具有层位运动特点,且伴随工作面推进,层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演,揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征,认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大,坚硬顶板断裂具有转向特征,伴随煤层开采推进,由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向;特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区,合理解释了工作面开采的“见方”来压现象;高位顶板纵向断裂尺寸大,扰动影响范围广,是诱发采场强矿压的主要因素,确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位结构的合理性,为大空间采场大小周期及强矿压显现的准确解释提供了依据。

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。

上软下硬复合地层盾构隧洞开挖面稳定性研究

为研究上软下硬复合地层盾构隧洞开挖面破坏形式、确定开挖面极限支护力最小值,引入弹性模量比的概念,利用数值模拟技术研究开挖面前方上下土(岩)层弹性模量比对开挖面破坏的影响;对三维梯形楔形体模型进行改进,基于刚体极限平衡原理,提出考虑孔隙水压力条件下的部分梯形楔形体模型,并将该计算模型应用于实际工程中;对比Terzaghi松动土压力理论和三维松动土压力理论对极限支护力计算结果的影响。结果表明:1)开挖面前方上下土(岩)体弹性模量比对开挖面破坏有一定影响;2)提出的部分梯形楔形体模型计算结果与数值模拟结果吻合较好;3)采用三维松动土压力理论计算盾构隧洞开挖面上覆土压力,和部分梯形楔形体模型计算上软下硬地层盾构隧洞开挖面极限支护力最小值相对可靠。

厚硬覆岩地表移动斑裂产生判据研究

为研究采动地表出现斑裂时工作面开采宽度及斑裂线与工作面的动态关系,以华丰煤矿1409工作面地质条件为背景,建立了厚硬覆岩的力学模型,得出了地表移动斑裂产生的判据。根据判据条件探讨了开采宽度与地表水平方向最大拉应力的关系,随着开采宽度的增大,地表最大拉应力也逐渐增大,当拉应力达到岩石抗拉强度时,岩体沿与拉应力垂直方向产生斑裂,从而得出地表移动产生斑裂时工作面的宽度及斑裂线距工作面的水平距离。经计算,当1409工作面临界开采宽度为127 m时,水平方向最大拉应力即达到了岩石抗拉强度,而工作面实际开采宽度为150 m,实测在距工作面下平巷398 m处产生斑裂,而预测值为410 m,预测值与实测值基本相符。

多层坚硬顶板综放开采矿压规律及控制技术研究

针对特厚煤层和多层坚硬顶板赋存条件下,工作面易出现液压支架压死、煤壁片帮和沿空巷道围岩变形严重、矿压显现强烈的问题,以同忻煤矿特厚煤层综放工作面为工程背景,对回采巷道和工作面进行矿压显现监测,分析多层坚硬顶板作用下的围岩应力和变形规律。研究表明:工作面开采引起的采动应力影响范围较大,多层坚硬顶板作用下覆岩形成了大结构,在其作用下围岩应力和变形表现为"上升突变"和"下降突变"交替出现。研究结果说明了特厚煤层大采出空间和多层坚硬顶板的共同作用是综放工作面强烈矿压显现的主要原因,据此提出了坚硬预裂爆破切顶和沿空巷道恒阻大变形锚杆吸能支护控制技术,可对强矿压进行有效防治。

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。

高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带发育规律研究

为了研究中硬偏坚硬覆岩高强度综采条件下覆岩裂缝带发育规律,根据潞安矿区王庄煤矿6206工作面开采地质条件,利用现场实测、数值仿真、相似材料模拟等手段综合研究确定了中硬偏坚硬覆岩综放一次采全厚导水裂缝带的发育高度。结合潞安五阳煤矿分层综采裂缝带高度观测资料,分析表明中硬偏坚硬覆岩高强度综采条件下(分层综采和综采放顶煤)覆岩裂缝带高度与M/n成正比更符合现场实际情况,裂高采厚比达到20.2倍,所得经验公式可以用于类似条件下开采覆岩破坏高度预计,获得的裂高可以作为潞安矿区水体下采煤留设保护煤柱及保水采煤方案制定的参考依据。

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。

永冻覆岩层下综采工作面坚硬顶板弱化处理技术

针对卡洼掌煤矿工作面上覆岩层为永冻岩层,为了保证在该条件下坚硬顶板综采工作面安全生产,在开切眼内向顶板钻孔进行工作面断顶爆破,同时在工作面运输巷和回风巷向顶板布置扇形钻孔进行拉槽截断爆破,在永冻覆岩层下实施了工作面顶板爆破预裂弱化试验,并通过综采工作面安装的KJ27在线监测系统,对顶板弱化处理后的采场矿山压力显现进行监测。监测结果表明:采场顶板初次来压和周期来压步距分别为19、15 m,周期来压步距较顶板弱化前降低50%,避免了工作面大面积悬顶的威胁,防止工作面顶板事故的发生。

浅埋坚硬厚煤层预采顶分层综放技术研究

为有效解决神东矿区浅埋特厚坚硬煤层开采技术难题,以神东活鸡兔矿井1-2煤层为研究对象,针对浅埋坚硬特厚煤层试验采用上层综采下层综放开采技术,通过数值模拟、相似材料模拟以及理论分析等综合研究方法系统分析了上分层综采对下分层顶煤冒放性影响规律,提出了下分层综放工作面"上压下顶"有利于顶煤回收的"采大放小、高阻支架上下扰动"措施。通过试验应用与现场观测,结果表明:顶煤冒放性得到有效改善,支架后方顶煤充分破碎,工作面资源采出率达到87%,且下分层综放工作面压力显现缓和。

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。

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。

厚层坚硬石灰岩顶板深孔预裂爆破技术研究

为解决厚层坚硬石灰岩顶板煤层开采过程中悬顶面积大的问题,综合运用理论分析、数值模拟、现场实测等手段,采用深孔预裂爆破技术控制初次来压步距。研究表明:原生顶板条件下,根据关键层理论预计工作面初次来压步距为59.2 m,顶板来压非常强烈。通过数值模拟分析深孔爆破裂纹扩展特征,在开切眼实施深孔预裂爆破后,沿炮孔径向产生大量次生裂隙,破坏了K2石灰岩的完整性。根据爆破过程中炮孔周围监测点应变响应特征,确定炮孔间距为6 m。支架工作阻力在线监测系统显示初次来压步距平均值为34.3 m,动载系数为1.35。工作面初次来压步距减小24.9 m,来压强度减弱,实现了工作面初采阶段安全高效生产。

两硬薄煤层综采工作面矿压规律分析

为解决大同矿区两硬薄煤层综采工作面顶板难以控制的问题,以晋华宫矿8224薄煤层综采工作面为研究对象,通过现场监测的方法分析工作面矿压规律,对工作面推进过程中支架工作阻力及回采巷道的变形情况进行监测分析。结果表明:工作面基本上是从中部首先来压,然后向两帮扩展,呈现出分段和迁移的来压特征;薄煤层上覆岩层运动对工作面推进的影响比中厚煤层的小,由于工作面采场顶板为难控顶板,在两硬开采条件下,有必要采取人工强制放顶,使顶板有效垮落,保证两硬薄煤层综采工作面安全回采。