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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特厚煤层工作面长度对矿压显现的影响

为了分析特厚煤层工作面长度与矿压显现的关系,采用理论分析和数值模拟方法,从工作面支架载荷、覆岩破坏高度和采场围岩应力等方面进行了深入研究。根据普氏平衡拱理论,计算得到不同工作面长度支架所需的载荷;采用关键层理论,确定工作面长度大于178 m主关键层将发生破断,工作面开采将受到侏罗系覆岩采动影响;采用FLAC^(3D)数值模拟方法,对不同工作面长度的围岩应力进行了分析。研究表明:工作面长度的变化导致支架载荷、覆岩破坏和围岩应力发生变化,当工作面长度小于178 m时,有利于减弱矿压显现强度,避免强矿压的发生。

坚硬顶板切眼预裂条件下综采工作面相似模拟研究

为研究坚硬顶板综采工作面在切眼顶板预裂条件下的覆岩移动规律，以山西凌志达煤矿15101工作面为研究对象，采用相似模拟的研究方法，对15101工作面直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断规律进行模拟研究，再现了覆岩裂隙场的发育过程，得出了工作面顶板垮落特征及顶板垮落带和裂缝带“两带”高度等，为工作面矿压及顶板管理提供了相应的参考。

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。

基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。