大埋深厚表土坚硬覆岩条件采动应力分布规律及其影响因素研究

新庄煤矿为新建矿井,受大埋深、厚表土、坚硬覆岩等复杂地质条件影响,具有冲击地压危险,为了能够给区域性防冲开采设计提供支撑,综合采用现场勘探、数值模拟和理论分析等手段研究了一盘区煤8工作面回采过程中采动应力分布规律及其影响因素。结果表明:向斜构造、埋深、表土层厚度是煤层原岩应力分布的主要影响因素,高原岩应力区埋深大,沿向斜轴部延伸并向两翼部展开;工作面回采过程煤层上覆厚硬顶板是采动应力的主要影响因素,煤层距离厚硬顶板越近则采动应力越集中,高采动应力集中区主要分布在煤层与厚硬顶板间距小于25 m的区域;随着工作面开采数量增多,超前支承应力和侧向支承应力的集中程度和集中范围快速增大,中央大巷的稳定性显著降低。

6305综放工作面厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析

为了探索厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析,以典型的厚表土层薄基岩厚煤层开采的新巨龙煤矿6305综放工作面为基础,采用理论分析和现场实测相结合的方法进行研究。首先研究得出6305综放工作面地表下沉可分为3个阶段,分别为缓慢下沉阶段、加速下沉阶段、下沉衰减阶段,并分析了各阶段的地表下沉特征,然后基于6305综放工作面覆岩运动和微震数据解释了该工作面地表沉陷特征及三阶段产生原因。

龙固副井特厚表土层冻结段外壁施工技术

龙固煤矿副并并筒表土层厚567．7m，冻结深度650m，是目前国内冻结段最深，设计砼标号最高（C70），设计最复杂的矿井。采用高性能混凝土施工，中煤第七十一处在并筒几乎全部冻实的情况下，平均月成并75m。在整个施工过程中，达到了安全优质、快速，创造了我国冻结立并施工的新记录。

厚表土层薄基岩条件下村庄压煤条带开采试验

为了确定临涣煤矿厚表土层薄基岩下合理的村庄压煤条带开采方案,采用离散元数值模拟方法研究厚表土层薄基岩下条带开采地表沉陷特征.结果表明:当临涣煤矿四采区的薄基岩厚度小于条带采宽所引起的垂直应力增高区域高度时,地表沉陷将急剧增加;并得出了四采区条带采宽与垂直应力增高区域高度的线性增加关系.鉴于此优化了临涣煤矿村庄压煤条带开采方案,经过两个条带工作面的成功试采,已安全采出煤炭约11万t,地面移动变形最大值均小于建筑物Ⅰ级损坏临界值,建筑物未采取任何加固措施保护完好,留设煤柱能够保持长期稳定,取得了显著的经济效益.

特厚表土层钢板混凝土复合井壁竖向承载力试验研究

通过模型试验和理论分析,对特厚表土层双层钢板高强混凝土复合井壁的竖向受力特性进行了研究。首先,根据相似理论,进行了双层钢板高强混凝土复合井壁结构的模型设计和试件加工;然后,通过加载试验,得到了井壁结构在竖向荷载和侧压共同作用下的竖向应力、变形和强度特性。结果表明:由于内、外钢板筒的约束作用,井壁结构中的混凝土完全处于三向受压应力状态下,其抗压强度提高了1.73～1.92倍,且井壁破坏时混凝土的竖向极限压应变达到-3.9×10-3,表现出较好的延性特性。通过钢板与混凝土的相互约束,改善了各自的力学特性,使井壁竖向承载力显著提高,远比钢板筒和中间混凝土层的竖向极限承载力之和大,并根据理论分析和试验结果推导出了井壁竖向承载力的计算公式,对理论研究和工程应用具有一定的参考价值。

厚表土薄基岩凿井突水溃砂井筒破坏治理技术研究

针对厚表土薄基岩地层凿井井筒溃砂涌水综合治理修复技术难题,以两淮矿区某在建煤矿副井为工程背景,分析认为马头门上覆岩层受反复扰动发生弯曲下沉变形是该矿副井井筒破坏的主要原因,主、风井井筒破坏为副井引发的次生破坏。本着修复、预防并重的原则,制定"注、冻、修、防"井筒综合治理方案,即通过地面注浆改善地层性能,防止下部基岩再次发生弯曲变形;通过套壁与原井壁形成复合井壁,提高井筒在该复杂地层条件下的结构安全度;既有井筒围岩冻结作为套壁措施工程,为其施工提供安全保障。研发了系列井筒及马头门修复施工技术:(1)下行式钻注结合,见漏就注,多级套管的挠动地层注浆孔施工与注浆技术;(2)副井内、外排孔分别采用局部、全深冻结,主、风井全深冻结,冻结壁内均设置水文卸压孔,测温数据与数值模拟结合预测冻结壁发展的控制冻结技术;(3)依据井壁破坏程度采取不同修补方式的井壁修复技术;(4)组合钢板拼装和焊接、高性能混凝土(钢纤维混凝土)配制等内套钢板井壁施工技术;(5)壁后注浆加固马头门围岩,破损马头门破除,超强复合永久支护控制围岩,两侧同时分层修复架设施工技术等。综合监测结果表明:工业广场内地表沉降稳定;修复后的3个井筒内套井壁内力和副井壁间压力均小于设计值;主、风井井筒涌水量各为1m~3/d左右,副井井筒涌水量为4 m~3/d左右。采用该方案修复后的主、副、风3个井筒,符合相关规范(程)要求,井筒均处于安全运行状态。

厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂次生竖向受压破坏机理研究

以淮南矿区板集煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒因突水溃砂引发竖向受压次生破断过程与特征,采用Mohr-Coulomb准则建立井筒底部含水层巨量水砂快速流失引发上覆土层沉降力学模型,推导负摩擦力解析解。分析表明,含水层巨量水砂流失引发井筒周围土体发生剪切破坏产生作用于井筒之上的负摩擦力,该负摩擦力产生的作用于井筒之上的竖向压应力与自重应力超过井壁竖向极限承载力时,井筒发生受压破坏,其后,竖向作用力依次向上传递导致多节钻井井筒发生受压次生破坏。土的抗剪强度指标对井筒竖向受力影响较大,黏聚力c和内摩擦角φ越大,井筒负摩擦力越大。对比分析突水溃砂与疏水沉降情况下井筒负摩擦力特征,表明突水溃砂情况下负摩擦力具有增长迅速及数值大,对井筒安全威胁大的特点。

大采深厚表土复杂空间结构孤岛工作面冲击地压防治技术研究

厚表土层覆盖下的深埋不规则孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,顶板运动剧烈,该类孤岛工作面在受到大采深和地质构造等因素的影响下,极易发生冲击地压。以某矿不规则深井孤岛工作面为工程案例,首先对工作面冲击危险性进行分析评价,通过开采前进行的模拟推进,采用覆岩空间结构理论,分析得到了高应力区域,确定了冲击危险区域和危险程度;采用应力在线监测系统进行冲击危险性实时预报,钻屑法进行危险性检验;采取钻孔卸压和爆破卸压措施对危险区进行处理,有效的保证了复杂空间结构下孤岛工作面的安全回采。

厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理

为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理,以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征,建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型,给出井筒围岩分层竖向位移函数,采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。分析表明,井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值,该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时,在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏,其后,随着岩层弯曲变形发展,拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏,并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响,其上覆基岩越薄影响越大,越易发生钻井井壁拉断破坏,基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置,以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1~2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径,完善现行相关设计规范,确保钻井井筒运行安全。

特厚表土层钻井井壁底结构分析与设计优化

针对目前特厚表土层深钻井工程井壁底常用设计计算方法不能反映结构的细部应力特征、且支承环应力与实际状态不符的难题,采用有限元法对淮南张集煤矿西区进风井井壁底结构进行了数值分析,计算结果表明,原设计井壁底结构中壳体与支承环相交处内缘径向应力最大,为-34.54 MPa.在井壁底结构设计时,可取支承环高度2.0 m进行计算.通过设计优化,井壁底结构中最大应力得到大大降低,只有-12.68 MPa,满足了设计强度要求.工程实测结果表明,优化后井壁底结构中实际钢筋的最大应力为-67.20 MPa,混凝土最大应变为-351με,且都远小于他们的设计值.优化后的井壁底不但节约了混凝土浇灌量,更为重要的是中间部位没有浇灌实,为后面破锅底爆破工作创造了自由面,加快了施工进度.

厚表土层中竖井沥青夹层复合井壁的试验研究

以相似理论为基础，用模拟试验研究了有沥青夹层的复合井壁，得到了沥青夹层的适宜厚度，传递竖直附加力的规律和数值；同时研究了外层井壁的可压缩层材料，获得可压缩层材料与传递到内层井壁的竖直附加力的关系。

特厚表土层冻结井壁高强高性能混凝土配制及其应用

针对特厚表土层冻结井筒内、外层井壁的特殊养护环境和施工条件，首先提出了深冻结井壁高强高性能混凝土的配制原则；然后根据配制途径选择了原材料，进行了C60～C70高强高性能混凝土的配制试验研究，得到了既经济合理又强度可靠的配合比，并应用于工程，取得了良好效果。

厚表土层大采高工作面矿压规律研究

为研究厚表土层对大采高工作面矿压规律的影响,以亭南煤矿二盘区205大采高工作面为工程背景,采用理论分析、现场实测的方法进行了研究。分析得出:厚表土层对大采高工作面矿压影响具有一定的滞后性。表土层中含有黏土层易"成拱自稳"而在一定距离内对工作面围岩控制影响不大,随着工作面的推进,C19主关键层将弯曲下沉,表土层结构的稳定性受到破坏,主关键层断裂后表土层载荷通过其下伏岩层传递至工作面;工作面推进至198.5m以后来压期间矿压显现明显,主要表现为支架支护阻力及动载系数增大、来压步距减小、来压强度周期性增大;非周期来压期间工作面支架平均工作阻力在后一阶段大于前一阶段,支架工作阻力沿工作面倾向分布呈"中间大、两头小"的形态,机尾一侧阻力较大。

论深厚表土层中确定地下结构物外载的基础理论——深土力学

基于深厚表土层中建井工程实践和模拟试验研究，分析深表土中井壁的外载、井壁与土的相互作用，探讨了深土与浅土之力学特性的区别，提出深土力学的概念、内容、框架，认为深土力学是土力学的一个生长点，是厚表土中确定地下结构物外载的基础理论．

厚表土层下采煤对地表及铁路桥的影响分析

以淮南某矿区为例，用有限元分析了厚表土层下煤矿开采引起的地表沉陷、地表倾斜、水平移动及孔隙水压的变化规律，总结了地表移动的基本特征和相关参数；同时分析了位于该矿首采区的铁路桥因地表变形产生的附加内力的变化，为采动区的建筑物保护提供了科学依据。

特厚表土层双层钢板高强高性能混凝土钻井井壁试验研究

针对500～700m特厚表土中钻井井筒的支护难题,认为合理的解决途径是采用双层钢板高强高性能混凝土复合井壁结构。首先,给出钻井井壁C60～C75高强高性能混凝土的优化配合比;然后,根据相似理论,进行双层钢板高强高性能混凝土复合井壁结构的模型设计。通过模型试验,对这种井壁结构的应力、变形特性和强度特征进行研究,研究结果表明:由于内、外钢板筒的约束作用,井壁结构中的混凝土完全处于三轴受压应力状态下,其抗压强度得到较大程度的提高,且井壁破坏时混凝土的极限压应变达到-4600με,表现出较好的延性特性,得到了该种井壁结构承载力的试验值,从而为该种高强井壁结构的工程应用提供了设计依据。目前,该研究成果已应用于3个特厚表土层的钻井井筒工程实践中。

特厚表土层立井冻结方案多目标灰色局势决策

针对特厚表土层立井冻结方案的选择尚无理论依据的现状,提出了一种将多目标灰色局势决策理论与有限元数值模拟相结合选优深冻结井冻结方案的方法。工程实例表明,该种方法具有应用简便,决策效果好等优点,为今后科学、合理地选定特厚表土层冻结方案设计提供了一种理论方法。

龙固矿副井特厚表土层冻结段外壁施工技术

龙固煤矿副井井筒表土层厚567.7 m,冻结深度650 m,是目前国内已施工冻结段深,设计混凝土标号高(C70),设计复杂的矿井。在高标号、高性能混凝土制作施工方面取得了一定的经验。在治理特厚粘土层方面采取了一定的措施,取得较好的效果,井筒已顺利通过了冻结表土段,进行套内壁工作。在整个施工过程中,取得了安全、优质、快速、高效的效果。

特厚表土层削球式井壁底的受力机理及影响因素分析

以拟建中的山东某矿风井(钻深760m左右)为原型,采用数值计算方法对削球式井壁底的受力机理及影响因素进行了系统研究,得出了影响削球式井壁底受力的主要因素,提出了改善井壁底受力状态的最佳圆心角概念,推导出最佳圆心角与厚径比的关系式,为今后特厚表土层钻井井壁底设计计算提供了参考依据。

厚表土采矿工程非采动环境效应

通过水动力学、土力学及井筒热效应分析，论述了我国一些煤矿近年来发生的井筒破裂及地面沉降形成机理．井筒破裂并非单一因素造成的，而是在特定的地质环境中，由于采矿工程活动引起地质环境及力学机制变化而产生的综合环境效应．研究区深部土体失水压缩变形与渗透变形所产生的地面沉降，与浅部土体失水压缩变形所产生的地面沉降具有不同的形成机理，主压缩层不在浅部粘土类土层，而在底含的砂、砂砾石类土层中，而深部粘土也不失水压缩变形。