露天地下楔形转接过渡诱导冒落控制边坡岩移危害技术研究

露天地下楔形转接过渡模式的安全管控是利用崩落法开采挂帮矿形成的塌陷坑阻止边坡岩移威胁露天采场,但地采扰动下的高陡边坡破坏过程不易控制,因而制约了楔形转接过渡模式在大型深凹露天矿山中的应用。针对上述问题,结合极限平衡分析方法,揭示出崩落法开采扰动下的高陡边坡渐进破坏规律,提出了边坡滑移体体积计算方法,以及通过调控回采顺序控制边坡滑移进程以实现塌陷坑完全承接边坡滑移体的边坡岩移危害控制技术。研究表明:边坡岩体不会随挂帮矿向下开采而发生持续破坏,只有当挂帮矿开采至关键分段时,边坡岩体受力状态超过极限平衡状态才发生滑移破坏,可通过滞后回采关键分段上盘三角矿延缓边坡滑移,以及通过滞后回采关键分段下盘矿体和采用下向阶梯状回采工作面增大塌陷坑容积,最终实现塌陷坑有序承接边坡滑移体。研究成果完善了大型深凹露天矿楔形转接过渡的安全管控方法,提高了楔形转接过渡模式的适用性。

眼前山铁矿冒落冲击风险评价

为研究眼前山铁矿露天转地下首采分段区域冒落冲击风险,应用应力监测、微震监测、数值分析方法获得了首采分段围岩的开采扰动响应特征,提出了眼前山铁矿冒落冲击风险评价方法。研究结果表明:随着与采场距离的减小,岩体的应力变化量、累计微震事件数逐渐上升,当前的回采活动引起岩体内应力集中区及破裂区的局部贯通;利用应力集中程度、应力集中区范围、应力集中区贯通程度、岩体断裂路径贯通程度4个指标综合量化眼前山铁矿地下首采分段区域冒落冲击风险为低等级。

动态扰动下顶板块体失稳冒落研究综述

巷道、采场等地下开挖空间周边围岩的次生结构面发育,岩体极易被切割成多个独立岩块,并在准静态地应力或外界动力扰动作用下发生滑动冒落.针对准静态条件下的顶板失稳冒落问题,研究的重点在于结构面的扩展分析以及块体系统的受力平衡条件分析.对于动态扰动条件下的顶板岩块滑动失稳问题,不仅涉及到应力波促进下的裂隙扩展问题,还与块体系统中应力波的传播规律和应力波影响下岩块动态受力条件有关.本文分别从静态条件下与动态扰动条件下两个方面总结了顶板岩块稳定性相关研究.目前针对静态条件下的顶板块体稳定性研究已经形成了诸多较为成熟的理论体系;而对于动态扰动条件下的块体稳定性的研究主要还是集中于块体系统内部应力波传播过程的分析,忽略了对顶板岩体受扰过程中裂隙扩展和应力失衡的分析.因此,针对顶板岩块动态失稳问题的研究尚不能揭示冒落机理,而该研究的难点在于“揭示动态扰动诱发块体失稳的本质机理”.最后,介绍了课题组针对动态扰动下顶板块体滑动失稳问题开展的一系列实验与数值模拟研究,揭示了不同方向动态扰动作用诱发顶板块体滑动失稳的机理,为地下矿山冒顶灾害的防控提供一定的理论参考.

大倾角煤层长壁综采顶板冒落形态与支架稳态控制

为研究大倾角煤层走向长壁综采工作面采空区顶板冒落形态与支架稳态控制,通过理论分析、试验研究与现场观测,在厘定走向长壁综采工作面初次来压与周期来压矿压显现规律基础之上,分析耦合效应下的顶板冒落形态的演化机理和支架失稳的典型分区特征。结果表明:沿倾斜自下而上顶板冒落呈非对称的向斜与背斜形态,且冒落与断裂岩块的堆积密实程度逐渐减小,直至采空区上部形成空穴;沿走向采空区下部顶板冒落呈谷峰相间(锯齿)状态;倾向中上部支架受向背斜冒落顶板影响,支架与围岩呈非均匀接触,是支架最易倾倒的部分,且倒架后中上部支架两立柱工作阻力差异最为明显。针对现用支架不具“带压移架”功能,采用“少降快拉”移架的稳态控制方法并指导现场拉架操作,获得良好的支架稳态控制效果,确保了大倾角煤层走向长壁综采工作面的安全高效生产。

充填条件下复杂采空区围岩冒落规律与治理方案研究

复杂大型空区充填治理受限于矿山充填能力,治理现场常表现为“边充边冒”的情形,空区围岩冒落速度较大时,存在冒透地表的可能,对空区安全治理及矿山安全生产极为不利。以唐山某铁矿复杂冒落空区为工程背景,借助三维激光扫描技术对空区形态进行探测,并通过对比前三次探测结果分析了空区的扩展趋势。结合离散元软件3DEC建立复杂数值计算模型,用以演化模拟充填条件下空区围岩冒落过程,掌握空区充填与围岩冒落的时空演化特征,并提出空区分段充填治理方案。结果显示:冒落空区形成初期,边界在纵向与横向上均有扩展,此时空区治理的关键在于及时支撑冒落拱基以限制空区跨度增大,当充填至-210 m水平时,空区横向冒落范围锐减,表明空区充填体有效阻止了空区北侧围岩冒落,可将-210 m水平视为充填临界水平,据此提出的空区分段充填治理方案,可有效保障空区的安全治理和周边矿体的安全开采。

采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究

在覆岩载荷作用下,采空区冒落矸石会产生施加于巷旁支护体或煤柱上的侧向压力,在时间效应影响下,侧向压力可能引发巷旁支护体或煤柱失稳,进而诱发地表塌陷。为研究采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律,研制了可测量侧向压力的组合式冒落矸石承压变形试验装置。以满足均匀粒径分布的5−30 mm的冒落矸石为例,通过设置相同加载总时长(16 h)、相同目标载荷(10 MPa)、不同数量加载水平(水平1、2、4),研究冒落矸石承压变形特征、侧向压力分布规律及试验前后粒径变化情况。结果表明:随载荷增加,冒落矸石变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,若不发生应变突增,时间-应变呈现对数关系;目标载荷相同,加载总时长一致,随加载水平数量增加,恒载阶段产生的总应变显著增加,分别为3.02%、9.07%和17.72%,表明随加载水平数量增加,虽然载荷对冒落矸石输入的总能量减少,但却对冒落矸石的滑移填充和结构调整起到了明显的促进作用;冒落矸石侧压力系数随着载荷增加明显变大;冒落矸石体展现出较强的载荷传递折减效应,自冒落矸石体顶界面垂直向下呈现递减变化;承压变形过程中,粒径为5~10 mm的冒落矸石含量处于动态平衡状态,为稳定粒径。

厚煤层巷道掘进过断层冒落区防治技术研究

5103运输巷在掘进过F1断层影响区时,巷道顶煤出现冒落,给巷道后续掘进及使用带来较大安全威胁。巷道冒落区内顶板控制难度高,原有的锚网索支护方式难以实现围岩有效控制,在对巷道顶板冒落原因及冒落区围岩特征分析基础上,提出采用“注浆加固+人工架棚”方式对冒落区进行治理,并通过超前管棚对巷道顶板进行加固。现场应用后,冒落区围岩得以有效控制,同时冒落区范围内瓦斯浓度未有异常;超前管棚对断层影响区顶板进行加固后,巷道掘进期间顶板始终保持稳定,未有冒落征兆。研究成果为矿井其他巷道过断层影响区顶板控制提供经验借鉴。

基于ELM-CBR的采煤工作面顶板冒落危险性预测与管理

为准确预测顶板冒落危险性等级,有针对性地进行风险管理,通过极限学习机(ELM)和案例推理(CBR)两种方法,提出相应的预测与管理方法,并将该方法得到的结果与实际情况进行对比分析。结果表明,该方法达到了较高的准确率,对预测结果进一步管理,为管理者提供决策依据。

基于诱导冒落开采的强制崩落区范围确定方法

强制崩落区范围是否合理对诱导冒落法的冒落范围、过程及矿石回收影响重大。为此,以急倾斜破碎中厚矿体诱导冒落法开采条件为工程背景,采用数值模拟的方法,在确定崩落区采幅、高度及开采方式的前提下,构建动态开采模型,分析不同崩落区开采范围、埋藏深度条件下的诱导冒落矿体的致冒机理,形成强制崩落区确定方法。研究结果表明:结合崩落形状、应力分布状态和岩体破坏情况可有效确定强制崩落区,以及特定条件下强制崩落区范围最优形式;增加崩落隅角改变强制崩落区范围,能够有效地提高诱导矿层冒落能力;近崩落区位置存在复杂应力分布状态,崩落区顶板的垂直应力及水平应力的常值受深度影响呈现规律性阶梯型增长。研究结果可为诱导冒落采矿工程提供理论支撑。

采煤工作面过构造发育区顶板冒落治理技术研究

依据某矿11203采煤工作面现场情况,提出综合使用注浆(充填)、锚索补强等方式对构造影响区不稳定煤体及顶板进行加固,依据现场条件给出治理技术方案并进行工程应用。现场应用后,某矿11203采煤工作面在地质构造影响区内生产时未出现片帮、冒顶或者支架不稳等情况,采面保持4.8 m/d回采速度,现场取得较好效果。

采煤工作面过断层顶板冒落控制技术研究

针对某矿10302综采工作面过F8断层破碎带期间顶板冒落问题突出现状,提出以预注浆增强断层破碎带煤岩体稳定性的方案,减少顶板冒落及煤壁片帮等给生产带来的影响。根据现场情况对注浆钻孔布置及注浆工艺参数等进行设计。现场应用表明,超前注浆后断层破碎带煤岩体强度及稳定性等明显提升,过断层破碎带时基本不出现冒顶或者片帮等问题。

综采工作面直接顶的端面冒落

液压支架在我国使用已有近15年历史，架型也有很大变化，但迄今为止影响综采工作面生产效率的重大因素之一是顶板的端面冒落，本文研究了顶板形成端面冒落的机理，着重分析了老顶断裂后引起的滑落失稳与变形失稳对直接顶稳定性的影响，及其对直接顶内破碎带形成所起的作用，同时初步探讨了支架结构的改变对防止端面顶板冒落所起的作用。

采空区顶板冒落防治技术措施的研究

结合西石门铁矿采空区顶板冒落的实际观测数据 ,提出顶板冒落的“打气筒”和“绕流”2种类型 ,并对“绕流”模型进行了详细的计算与分析 ,得出了避免冲击危害的安全距离 ,提出了预防采空区顶板冒落危害防治的具体技术措施。

崩落法纵向分区开采冒落危害防治技术

针对崩落采矿法纵向分区开采过程中冒落危害防治这一关键安全技术问题,以小汪沟铁矿在矿体延深方向划分为3个分区开采为依托,运用理论分析方法,指出了各分区冒落危害的主要种类,其中上位分区为落块与陷落危害,中位分区为冒落冲击气浪与落块危害,下位分区为落块危害。同时,依据3分区的位置特点及矿体条件,调整回采顺序以利用连续回采面积控制初始冒落形式,并针对冲击气浪、落块、陷落危害,分别提出作业点与冒落体边缘保持5 m以上安全距离和在出矿口预留6 m厚散体隔离垫层、严禁作业人员进入空区出矿、地表堆石隔离人员进入陷落区等技术措施,适应了不同冒落条件下的安全需求,现场应用效果良好,为崩落法纵向分区开采矿山提供了安全技术保障。

工作面过局部冒落空巷综合治理技术

针对工作面过局部冒落空巷存在的安全问题,坍塌段采用“封闭注浆充填+冒落矸石打钻注浆+工作面临空预注浆”三步方案,完整空巷段采用全部充填方案。选用双液注浆材料和高水充填材料,满足不同工程部位注浆需求。效果考察表明,空巷段充填体均质、完整,浆液固结体与冒落碎矸胶结良好,工作面回采期间未发生片帮冒顶现象。

过特厚煤层断层冒落带技术方案的浅析

为研究制定俄霍布拉克煤矿特厚煤层巷道如何过断层发育及已冒落区段的处理技术方案,经过对该矿十几年开采过程中的地质及地质构造条件进行详细的分析和研究,发现俄霍布拉克煤矿西翼比东翼地质构造复杂,矿山压力较大。特厚煤层巷道掘进过程中遇见断层,因断层附近围岩(煤)岩层松软破碎、巷道顶炭难以控制、支护难度大、易冒落,甚至出现大面积漏顶现象,不仅对巷道顶板管理和矿井安全管理造成很大的挑战,而且严重制约着矿井接续和矿井正常产能的发挥。基于此,将5109运输道过断层冒顶区方案作为案例,针对以上问题,提出了除了传统的支护方式外,还提前对巷道围岩冒落破碎带实施注浆固化关键技术。现场实施后取得了良好的效果,且5109运输道安全顺利地通过了断层破碎冒落带,为矿井安全生产及5109运输道的正常施工提供了安全保障,同时对类似条件下过断层破碎冒落带具有借鉴意义。

大面积胶结充填体诱导冒落机理及其发展过程研究

在龙首矿西二采区无底柱分段崩落法采场形成覆盖层的过程中,掌握顶板胶结充填体的冒落机理及其发展过程,对于覆盖层的顺利形成及采矿安全具有重要意义。研究提出了人工诱导顶板大面积胶结充填体冒落形成覆盖层的技术方案,并在该方案实施过程中采用微震监测技术对胶结充填体的冒落过程进行了监测。研究结果表明:胶结充填体的破裂事件主要发生在1610~1630 m水平之间,其破坏机理主要划分为3种模式:一是崩落法采动压力集中在采空区后方20~45 m范围内造成的充填体压裂破坏;二是采空区边缘处剪应力集中造成的充填体岩梁剪切破坏;三是采空区顶板中央位置发生的充填体下沉弯曲拉伸破坏。理论计算结果表明:顶板胶结充填体以散体形式发生冒落的高度约为14 m。现场出矿跟踪过程中观察到冒落的胶结充填体块度在0.6~2.0 m之间。综合各项研究结果可知:在首采分段回采过程中实现了顶板胶结充填体的安全诱导冒落,形成了由预留矿石层和冒落胶结充填体构成的总厚度约为30 m的散体覆盖层,满足无底柱分段崩落法安全生产的需求。

冒落型矿震成因机理的研究

冒落型矿震属于塌陷地震的范畴 ,其形成和演化受到区内自然因素和人为因素的作用。笔者研究了顶板冒落的前兆特征、发展过程、运动形式和致崩原因 ,探讨了冒落型矿震的成因机理 ,提出了由于地下开采引起采空区顶板冒落 ,释放能量 ,诱发矿震的观点。

岩体诱导冒落的数值模拟

采用RFPA分析软件,针对不同回采深度、不同节理分布,并考虑彼此综合作用,模拟了采场顶板的冒落过程.结果表明,采场顶板冒落轨迹近似拱形抛物线,冒落高度大约为开挖推进跨度的40%~60%.通过对比分析,得到以下结论：侧压力越大,开挖步距越大,则冒落高度越小;深埋高应力岩体冒落区形状由抛物线渐变为层状;水平节理岩体的冒落形状由抛物线形渐变成马鞍形;竖向节理冒落呈尖塔形.研究对实现低成本高效率开采、消除地下安全隐患、科学诱导采空区冒落具有理论和工程价值.

综采放顶煤条件下覆岩冒落带、裂缝带高度的探讨

本文以实际观测资料为基础，对放顶煤开采后覆岩破坏情况进行了分析。特别是对有断层构造下的覆岩破坏进行了分析探讨。得出冒落带、裂缝带高度计算公式。