近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究

针对中国神华能源股份有限责任公司神东煤炭分公司大柳塔活鸡兔井21305工作面过上部倾向煤柱时的动载矿压问题,通过煤柱上方关键块体结构的稳定性分析以及模拟实验,对工作面出煤柱阶段动载矿压发生的机理和规律进行了研究。结果表明:出煤柱阶段煤柱上方两关键块体形成的三铰式结构是不稳定的,两关键块体会随下部岩层的下移而发生相对旋转运动,最终导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷过大而失稳,这是造成此阶段工作面动载矿压发生的根本原因;两关键块体的回转角通常情况下无法达到维持其结构稳定的极限条件,这决定了出煤柱阶段工作面动载矿压的普遍存在;当煤柱边界上方关键块体结构断裂线外错于煤柱边界时,下部岩层对其支撑力的力矩最小,因而下煤关键层承受的载荷也就最大,故而最易导致下煤层工作面动载矿压的发生。

韩家湾煤矿浅埋近距房柱式采空区下开采动载研究

为研究韩家湾煤矿浅埋近距房柱式采空区及煤柱下开采的动载矿压,运用理论分析方法和物理相似模拟实验,采用应力和位移的监测手段,对综采工作面过房柱式采空区及煤柱进行模拟研究。研究表明,房柱式采空区下,工作面覆岩会随着下煤层关键层的破断而依次破坏,矿压显现较一般浅埋煤层开采剧烈,但未发生动载。而在进入区段煤柱期间,工作面只表现出比单一煤层开采时工作面压力较大,在出煤柱时则普遍存在动载矿压现象,动载易发区域在煤柱中的最后一次周期来压后10 m范围内。研究成果在韩家湾煤矿2405工作面进行了动载预测和防治。

倾向煤柱边界超前失稳对工作面出煤柱动载矿压的影响

针对近距离煤层工作面出上覆倾向煤柱时的动载矿压问题,采用理论分析、数值模拟以及工程验证的方法,从煤柱边界超前工作面失稳的角度阐述了其对动载矿压灾害的抑制机理,并就煤柱埋深、煤层间有无关键层以及煤柱边界有无空巷等因素对煤柱边界超前失稳的影响规律进行了研究。结果表明:工作面临近推出上覆倾向煤柱时,煤柱边界的超前失稳会造成上部关键块体提前发生反向回转,从而能在工作面出煤柱时削弱关键块体结构回转运动对煤层间岩层作用的能量,最终减弱动载矿压灾害发生的几率和强度。上覆倾向煤柱埋深大、煤层间无关键层以及煤柱边界存在空巷均易导致煤柱边界发生超前失稳,从而可对动载矿压灾害的发生发挥明显的抑制作用。对于煤层埋深较浅或煤层间仅存在一层关键层等动载矿压灾害易发生的开采条件,可在处于下煤层工作面出煤柱一侧边界内开掘空巷,或对此区域实施人工预爆破,促使煤柱边界在工作面临近出煤柱时发生超前失稳,从而达到防治动载矿压灾害的目的。研究结果得到了神东矿区活鸡兔井和补连塔煤矿4个工作面出煤柱开采工程实例的验证。

远距离下保护层开采上覆煤岩层采动应力场数值模拟研究

为了研究开采下伏8号煤层能否缓解赵庄煤矿主采3号煤层开采过程中的强矿压显现问题,采用FLAC^(3D)软件模拟远距离下保护层开采方案,分析了下保护层8号煤层开采前后被保护层3号煤层采掘过程中的应力峰值、应力分布及塑性范围。结果表明,随着下保护层8号煤层工作面的推进,被保护层3号煤层工作面在倾向上的应力整体呈"M"型分布,煤体两端呈现应力集中,中部区域应力较低,使布置于中部卸压区的3号煤层工作面巷道围岩产生不同程度的卸压;下保护层8号煤层开采后,被保护层3号煤层工作面的煤体应力峰值减小约18%,采动影响距离减小约10m,且应力集中程度减弱,工作面煤体基本未出现新的塑性区域。

沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理

针对神东矿区活鸡兔井工作面过沟谷地形时发生的动载矿压问题,通过现场实测、理论分析与模拟实验,就沟谷地形对浅埋煤层开采动载矿压显现的影响机理进行了深入研究。结果表明:浅埋煤层开采工作面过沟谷地形上坡段时易发生端面切顶、冒顶和支架活柱急剧下缩的动载矿压。由于覆岩主关键层在沟谷段受侵蚀影响而缺失,过上坡段时主关键层破断块体缺少侧向水平挤压力作用,不易形成稳定的"砌体梁"结构而滑落失稳,使得作用在下部单一关键层结构上的载荷明显增大而产生滑落失稳,从而引起工作面的动载矿压。若沟谷地形中主关键层未缺失,则浅埋煤层工作面过沟谷地形上坡段时一般不易产生动载矿压。该研究结果指导了活鸡兔井21305,21306工作面过沟谷地形动载矿压灾害的防治实践。

基于微震监测的浅埋工作面动压预警技术研究

石圪台煤矿为更有效地预测预报动载矿压事故,应用KJ768微震监测系统对31201工作面回采期间进行监测。根据微震事件的数量及能量与顶板来压之间的规律,总结出3-1煤顶板来压预警数量指标为15个微震事件,总能量指标为4.0E＋10^5J;2-2煤顶板来压预警数量指标为30个微震事件,总能量指标为8.0E＋10^5J。根据预警指标准确预报了动载矿压事故,为矿井的安全高效开采提供了保障。

房式采空区集中煤柱诱发动载矿压机理及防治

针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面出上覆房式采空区集中煤柱回采动载矿压问题,利用现场实测和理论分析方法,通过分析超前支承压力作用下小煤柱保持稳定时的临界弹性核宽度、动载荷作用下工作面覆岩结构及支架载荷,对动载矿压的发生机理及防治措施进行了研究。结果表明:出集中煤柱期间,下煤层工作面覆岩的回转运动使上覆集中煤柱支撑宽度减小,若超前支承压力导致该部分集中煤柱及前方大面积小煤柱失稳,超前失稳煤柱覆岩的运动将使工作面覆岩受到动载荷作用,破坏工作面覆岩承载结构的稳定性,从而诱发动载矿压;提出了提前爆破集中煤柱的防治措施,并确定了爆破时工作面与集中煤柱间应满足的安全距离,在现场应用效果显著。

集中煤柱诱发下伏近距离煤层异常矿压及机理研究

为研究近距离煤层群下伏工作面过遗留集中煤柱异常矿压显现规律,以布尔台煤矿42107工作面进2-2煤层遗留集中煤柱为工程研究背景,基于现场实测、理论分析和相似模拟方法,通过分析工作面进集中煤柱期间的现场监测数据变化规律,总结了工作面进集中煤柱时异常矿压显现特征,推导出工作面覆岩破断步距和支架载荷计算公式,揭示了下伏工作面进集中煤柱异常矿压的发生机理,并采用相似模拟试验对其准确性进行验证。研究结果表明:下伏工作面进集中煤柱期间,集中煤柱边界受应力集中影响,基本顶破断位置深入煤体宽度增加,总破断步距减小,支架载荷明显增加,从而导致工作面发生异常矿压显现;相似模拟试验结果表明:进集中煤柱时,下伏工作面应力集中,基本顶岩块破碎,垮落步距减小,试验与理论分析结果基本吻合。

特厚煤层坚硬顶板临空煤巷强矿压显现机理及控制技术

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放工作面在留设38~43 m区段煤柱条件下,临空煤巷超前支护段仍出现严重变形、伴有动力冲击等强矿压显现问题;采用理论分析、现场实测与数值模拟相结合的方法,研究得到了临空煤巷超前支护段强矿压显现的机理。结果表明:两采空区高支承压力相互叠加和煤岩体本身的蠕变效应共同作用是导致临空煤巷超前支护段强矿压显现的根本原因;工作面上覆K3亚关键层的破断将导致采空区四周形成高支承压力区,该支承压力影响范围110~150 m;提出面周比的概念,随面周比增大,支承压力峰值强度和峰值位置呈线性增大,而支承压力影响范围基本不变。提出并实施了特厚煤层坚硬顶板留窄煤柱护巷技术,在塔山煤矿8204工作面5204巷现场试验取得了良好的效果,保证了工作面的正常生产。

顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究

针对神东矿区布尔台煤矿42107工作面回采过程中频繁发生的强矿压显现问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对井下定向钻孔水压致裂顶板厚硬关键层控制工作面强矿压显现进行了研究。研究结果表明:4-2煤层顶板厚度约22 m的粉砂岩亚关键层2是影响工作面强矿压显现的主要因素;理论分析通过顶板弱化降低亚关键层2的强度,在一定程度上能够削弱工作面强矿压;通过减小亚关键层2破断块体竖向节理的摩擦角以模拟顶板致裂效果,亚关键层2弱化改性后,42107工作面两侧的区段煤柱以及实体煤壁上的支承压力峰值显著降低,减小幅度约18.3%;实际在42107工作面顶板布置了3个定向钻孔,由该工作面内11台液压支架在致裂前后的工作阻力曲线得出,来压期间支架最大工作阻力由22535 kN减小至19599 kN,周期来压步距则由致裂前的21.0 m减小为致裂后的16.9 m,表明定向钻孔水压致裂覆岩关键层能够较好地控制工作面强矿压显现。

基于奇异值分解法的古山矿微震系统监测能力优化

微震监测系统已成为古山煤矿矿山动力灾害的主要监测手段。为了保证微震系统定位和能量计算的准确性,采用奇异值分解法对古山煤矿微震监测系统的现用台网监测能力进行评价,从而发现了微震系统定位误差较大区域,由此制定监测系统优化方案,并对微震系统的台网布置进行优化。最后采用现场爆破试验对优化结果进行校验,结果表明微震系统的监测误差明显下降。

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。

孟村煤矿强冲击地压条件下巷道维护方案

陕西彬长矿区孟村煤矿是典型的深井强冲击地压影响矿井,为了彻底解决厚煤层巷道在强冲击地压影响下巷道变形难以控制的问题,统计了矿井冲击地压显现情况并分析显现规律,提出“远端爆破关键层,近端加固巷道围岩及支护强度”的“远攻近交”巷道维护方案。结合顺槽巷道加固和合理确定回采方向等防冲击方法,从而确保巷道具备更好的抗冲击能力,突破了深井强冲击地压对矿井的安全生产瓶颈。

煤柱群下回采工作面强矿压显现机理研究

以神东霍洛湾煤矿31106工作面为背景,考虑覆岩载荷的传递效应分析了煤柱群组合承载的稳定性,采用相似材料模拟方法探究工作面出集中煤柱进入房式煤柱过程中的强矿压显现机制。结果表明:下工作面出煤柱期间,层间岩层周期性垮落导致集中煤柱宽度逐渐减小,移动支承压力使得集中煤柱和房式煤柱组合动态承载;当集中煤柱减小到10 m仍未达到临界失稳宽度时,载荷传递导致前方1^(#)房柱载荷初始的5.28 MPa增加到7.58 MPa发生失稳,1^(#)房柱失稳后其上方的载荷转移到相邻的煤柱上,引起2^(#)、3^(#)、4^(#)煤柱相继失稳;上部坚硬岩层失去支撑后在房采区内超前断裂形成58 m的长悬顶,悬顶控制其上部岩层通过集中煤柱向下传递载荷。出集中煤柱5 m后,顶板切落产生剧烈的冲击扰动,应力快速由4 kPa增加到33.6 kPa,增长幅度高达740%,造成下工作面的强矿压显现。31106工作面在煤柱群下回采时,应超前采取爆破断顶或水力压裂切顶措施控制强矿压灾害。

工作面过煤柱强矿压显现机理及地面压裂控制研究

针对特厚煤层工作面受远场上覆煤柱大结构影响的强矿压显现机理及控制难题,综合采用现场实测和数值模拟的研究方法,对工作面强矿压显现特征及机理进行研究,提出并实施了地面压裂控制强矿压的技术。现场实测表明,3-5#特厚煤层开采后覆岩破断发展至上覆侏罗系煤柱位置,造成煤柱大结构破坏,数值计算表明,煤柱集中应力致使下伏相邻硬厚岩层整体性的切落失稳是造成工作面强矿压显现的主要原因。据此,提出基于地面水力压裂高位硬厚岩层的采场矿压控制技术手段。实践表明,地面压裂扩展半径大,工作面来压强度明显降低,压裂效果显著,表明地面压裂是实现强矿压控制的有效创新手段。

“两硬”条件下回采巷道强矿压显现防治技术

针对"两硬"条件下工作面回风巷强矿压显现问题,采用现场实测及理论分析的方法,对强矿压显现发生机理进行了研究,并提出采用深孔断顶爆破和大直径卸压钻孔的防治方案,确定了爆破参数和卸压孔的布置参数。通过比较采取上述措施前后工作面回风巷的变形和微震活动的强烈程度对防治效果进行检验。结果表明,深孔断顶爆破和大直径卸压孔防治措施的实施,安全释放了回采巷道煤体中聚集的弹性能,成功地破坏了采空区坚硬顶板的完整性和煤柱体的储能条件,消除了工作面回风巷强矿压显现的危险性,保证了工作面安全高效回采。

回采巷道强矿压显现发生机理及防治措施

针对内蒙古巴彦高勒煤矿回采巷道强矿压显现问题,采用现场实测及理论分析方法,通过分析采空区上位关键层破断特征及回采巷道围岩受力,对巷道强矿压显现机理及其防治措施进行了研究。结果表明:临近工作面回采结束后,本工作面的回采促进了上位关键层破断,若上位关键层悬顶长度较大,岩层断裂时将释放较大的能量易导致下位关键层受力增大,因而回采巷道围岩受力增大;不同巷道与上位关键层断裂岩块相对位置不同,因而围岩受力增幅不同,仅回风巷道发生强矿压显现;提出了相应的强矿压显现防治措施,在现场应用效果显著。