巨厚岩层采场关键工作面防冲-减震设计

为避免巨厚岩层运动诱发井下冲击和造成地面建(构)筑物震动损害,以山东某巨厚岩层矿井为研究背景,采用现场监测、理论分析和工程实践等手段,探讨兼顾地面建(构)筑物减震和井下防冲的关键工作面设计方法。研究结果表明:孤岛工作面两侧的采动程度不同,非充分采动区上覆高位悬顶巨厚砾岩及其底部孤岛煤岩柱形成不对称"Γ"型覆岩空间结构;巨厚岩层开采条件下存在一个关键工作面,以工作面整体稳定性和矿震引起地面建(构)筑物的震动损害作为主要评估指标可确定关键工作面及其防冲-减震开采优化方法;在开采设计中采用上述方法可最终确定合理的开采方案,并取得较好的实践效果。

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明:巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度R_c(p≥R_c);评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。

巨厚岩层下煤层顶板水突水机理及防治技术

为了寻求海孜煤矿745工作面"5.21"重大突水事故的根源,从根本上消除工作面水患威胁,实现安全回采。根据矿区的地质和水文地质条件及查治工程成果,全面深入分析了其突水背景、原因、通道、水源等,得出是由于多煤层采动,整体块状巨厚岩浆岩下煤岩层不均匀沉降,产生了离层水体,在巨厚岩浆岩的动力冲击下,引发突水。针对突水的动力特点,提出了在工作面影响以外的下山方向布置钻孔的探放导水治理技术。实践证明,该治理技术有效地阻止了离层水源的产生,保证了工作面安全生产,且对类似条件下水害防治具有借鉴和指导意义。

防冲煤柱对高位巨厚岩层下开采动力灾害的防治研究

高位巨厚关键层下开采,采动应力异常集中,极易诱发冲击地压、矿震等动力灾害。采用三维数值模拟,研究了防冲煤柱对巨厚岩层的控制作用和抑灾效果。结果表明,与完全垮落法相比,留设防冲煤柱可大幅度降低回采期间工作面的支承压力,使工作面整体处于较低的静载水平。留设防冲煤柱时,上覆巨厚关键层可保持稳定,避免巨厚关键层大范围破断运移对工作面造成冲击,减少工作面动力灾害的发生。

巨厚岩层下重复采动采场支承压力分布规律数值分析

以鲍店煤矿10采区为背景,利用UDEC数值软件,研究高位硬厚岩层下近距离煤层开采超前支承压力及硬厚岩层底部应力变化规律。结果表明:上煤层开采时,超前支承压力及影响范围在硬厚岩层破断前达到最大值,硬厚岩层破断后,超前支承压力峰值呈周期性变化,变化范围较小,在硬厚岩层底部离层空间两端出现应力集中现象。下煤层开采时,超前支承压力集中程度高于上煤层工作面,在应力峰值外侧未趋于稳定,出现波浪形变化,硬厚岩层底部未形成显著的应力集中现象。

重复采动下上覆高位巨厚岩层微震分布特征研究

以鲍店煤矿十采区3煤层开采为例,根据现场SOS微震监测数据,研究了上、下煤层重复采动下高位厚硬岩层的微震活动规律,分析了强微震分布与高位巨厚坚硬岩层的关系。研究表明:上煤层工作面的推进距离超过工作面长度后,高位硬厚岩层在工作面前方和采空区发生阶段性的高能量(104J)微震活动,并引起相邻采空区的连锁反应,微震活动强烈;下煤层重复采动时采出总厚度增加,高位硬厚岩层二次失稳运移,再发生阶段性强微震活动,但最大能量有所下降;微震大事件主要发生在高位巨厚岩层内,在时间上呈现阶段性,具有大步距式强微震与运移特征。

巨厚坚硬岩层运移对采场超前支承压力影响实验研究

为了揭示采场超前支承压力在受巨厚坚硬岩层运移影响之后的演化规律和变异特征,以杨柳煤矿典型巨厚坚硬岩层赋存条件为模型,运用物理模拟和机械模拟实验方法进行模拟研究,并与无巨厚坚硬岩层的采场模型进行比较。通过研究发现:采场中巨厚坚硬岩层对其支承压力的影响,主要集中在巨厚坚硬岩层发生破断之前,其应力集中程度高、影响范围广、影响程度剧烈;临近巨厚坚硬岩层破断前,覆岩中有巨厚坚硬岩层时的超前支承压力峰值和影响范围分别为无巨厚坚硬岩层时的1.15倍和1.9倍;巨厚坚硬岩层处于稳定状态时或已发生破断后,采场支承压力峰值和影响范围相对无巨厚坚硬岩层采场较小,对采场超前支承压力的影响相对较弱;支承压力峰值的增大势必会使采场前方煤壁的影响范围增大。

巨厚岩层–煤柱系统协调变形及其稳定性研究

以山东济宁高庄煤矿巨厚岩层条件下留设大煤柱的工作面回采安全性为背景,采用理论分析和工程实践等方法,研究巨厚岩层–煤柱系统的协调变形模型及其稳定性。主要研究内容和结论:(1)在满足煤柱顶板岩层断裂线因素和支承强度因素的情况下,煤柱能够"隔离"采空区并对巨厚岩层及其覆岩结构形成"支撑"作用;(2)以巨厚岩层挠曲变形和煤柱竖直方向"压缩"变形为基础,建立巨厚岩层–煤柱协调变形力学模型,分析煤柱竖直变形的应力来源、形式和整体协调变形机制,得到巨厚岩层–煤柱系统协调变形的应力–应变关系;(3)探讨巨厚岩层–煤柱系统失稳类型、判据和对井下动力灾害发生的影响,提出灾害防治技术。运用研究成果分析3上1102工作面采前巨厚岩层–煤柱系统稳定性,并对灾害进行预测,根据回采阶段微震监测结果与动力显现情况,初步验证了研究的合理性,通过实施针对性预防措施,最终实现了工作面"有震无灾"的安全回采目的。

巨厚岩层稳定性与冲击地压防治关系研究

针对具有巨厚岩层的冲击地压矿井,巨厚岩层作为矿井覆岩的主关键层,其稳定性关系到整个采场的安全。结合多年研究的工程案例,数值模拟分析了巨厚岩层在开采中的稳定阶段,重点研究其稳定前后冲击地压的发生机理,将此地层条件下的冲击地压防治分为2种形式:巨厚岩层稳定环境下,开采范围的增大造成巨厚岩层承受载荷转移,导致采场围岩形成高静应力引发自发型冲击地压;巨厚岩层失稳后产生的强动载部分传递至采场与静应力叠加,造成围岩应力突变而引发矿震诱发型冲击地压。在巨厚岩层稳定前后应用高精度微震监测系统,动态判断顶板活动范围及巨厚岩层稳定发展趋势;同时在临场应用应力在线监测预警系统实时分析采场围岩应力场变化范围和发展趋势,并对危险区进行实时预警。

地音监测系统在顶板巨厚岩层活动规律研究中的应用

顶板巨厚岩层的运动和破断对于冲击地压的发生具有重大的影响,为了研究顶板巨厚岩层的活动规律,介绍了地音监测技术的发展历程和原理,采用地音监测实时数据及地音能量和频次与地表下沉的变化规律,对华丰煤矿顶板巨厚砾岩活动进行了观测和研究。研究表明采用地音监测系统可以对顶板巨厚岩层的运动实时监测,并对其破断进行预测,对有效控制冲击地压事件的发生有很大的帮助。

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。

煤矿地面直井水压致裂技术防治巨厚岩层动力灾害研究

以东滩煤矿63_(上)06工作面上方高位巨厚红层砂岩为研究对象,利用FLAC3D数值模拟软件对水压致裂切割高位坚硬岩层前后的岩层破断情况及破断时能量演化特征进行研究。模拟结果表明:进行水力压裂后,巨厚岩层初次破断时的来压步距由压裂前的260 m降低为180 m,压裂后的巨厚岩层较压裂前垮落更为充分,并未出现较长时间的悬顶现象;压裂后,工作面前方支承应力峰值在水力压裂剧烈影响区出现持续降低的现象,且较压裂前应力峰值减小,工作面前方的应力集中现象减弱;压裂后的高位岩层初次破断前并未发生大规模的弹性变形能积聚现象,弹性能分布较为均匀。综合分析模拟结果,可认为地面垂直井水力压裂技术能够有效地降低开挖过程中的应力和能量集中,避免高位岩层破断时产生的高能量瞬间释放,降低矿震发生的等级。

“巨厚岩层”覆盖下泥水盾构施工沉陷原因及对策研究

行业普遍认为泥水盾构施工在地面沉降控制精度方面优于土压盾构,但近10余年,多台泥水盾构(小的开挖直径不到5 m,大的超过15 m)均在“巨厚岩层”地质条件下施工时发生了地面沉陷事件,甚至个别事件造成的经济损失或社会影响极其严重。通过对多个典型案例深入跟踪、剖析和研究,发现产生这类沉陷事件的主要特征:(1)地处复合岩层;(2)掘进过程曾发生“滞排”或“泥饼”现象;(3)频繁洗舱,泥水舱压力波动大。据此从地质、盾构机、施工技术措施和管理等方面全方位推论出“巨厚岩层”覆盖下泥水盾构施工沉陷的原因、机理,并在此基础上,提出相应对策及建议,以供行业人员借鉴。

穿巨厚砾岩层立井施工技术及管理浅析

针对某矿新建立井需要快速高效安全地穿过巨厚砾岩层存在的问题,浅析了在爆破过程对常规设计参数的调整、特殊地段施工技术调整以及对工作过程中施工管理劳动组织,保证了井筒快速通过巨厚岩层,也为同类井筒建设提供借鉴。

高位巨厚坚硬岩层离层区注浆效果分析

为了解除高位巨厚坚硬岩层容易引起冲击地压的威胁,II102采区采用离层区注浆方法缓解坚硬岩层下移。文中通过现场钻孔探测对上覆坚硬岩层运移进行观测,根据现场实测资料,对岩浆岩下离层区进行注浆充填,地表下沉量很小,说明岩浆岩未发生破断失稳,说明注浆对上覆坚硬岩层的运移起到有效控制。

煤柱影响下巨厚组合岩层垮落与冲击地压的相关性研究

基于矿井中煤柱影响下,研究巨厚组合岩层垮落与冲击地压之间存在的相关性,根据地表移动规律,分析巨厚组合岩层垮落同冲击地压之间的周期性变化,表明在煤柱影响下,巨厚组合岩层垮落是造成冲击地压的主要力源,冲击地压频率较高,巨厚组合岩层垮落更为危险,二者之间呈正相关性。本文研究煤柱影响下巨厚组合岩层垮落与冲击地压的相关性,找出其相关规律,为预防冲击地压事故找出决策。

高位巨厚坚硬岩层下煤层的合理开采方法研究

为了防止高位巨厚岩层在层下煤层开采过程中引起冲击灾害,针对潞新二煤矿II102采区上覆巨厚岩层情况,结合数值模拟研究,通过对比留大煤柱开采、离层区注浆充填开采、采空区充填开采等多种开采方法对高位巨厚坚硬岩层破断运移影响,考虑安全、技术等因素,确定高位巨厚坚硬岩层条件下煤层开采技术方案为:离层区注浆充填开采方案。

巨厚覆岩破断运动与矿震活动规律研究

基于采场上覆岩层活动规律和冲击地压相关理论,以鲍店煤矿十采区103上工作面为研究对象,采用数值模拟和理论分析的方法,研究了上覆巨厚岩层的运动规律及诱发矿震的因素,通过对现场微震监测数据进行分析,验证了矿震事件与上覆岩层运动间的相关性。研究表明:"红层"砂岩未破断失稳前,工作面上方的2层亚关键层以组合形式运动,伴随能量小于104J的小矿震事件频发并贯穿整个工作面。当工作面推进到约350 m时,"红层"砂岩发生初次破断失稳,同时能量高于105J的强矿震事件频发,"红层"砂岩层位的矿震事件在平面位置上近似呈横向"O—X"型分布,在剖面位置上由"红层"砂岩下部逐渐向中部发展。

巨厚砂砾岩地层条件下高压线塔压煤开采与变形控制

玉华煤矿上覆岩层存在厚度达265~309 m的巨厚洛河组砂砾岩层,根据地表移动实测数据拟合分析,在2个长壁工作面综放开采条件下,地表下沉系数仅为0.2。针对玉华煤矿巨厚砂砾岩地层的特殊条件,为解决四盘区中部存在330 kV高压线塔、影响盘区开拓布局和正常开采这一问题,提出了全部开采、局部限厚开采、条带开采等三个开采方案并进行了对比分析,采用概率积分法计算了不同开采方案对高压线塔的变形控制效果,确定了合理的开采方案。

地面直井水压致裂防控巨厚硬岩运动型矿震试验研究

巨厚坚硬岩层运动产生的矿震和冲击地压灾害防控难度大,已经成为我国多个巨厚坚硬岩层矿区矿井安全生产的主要障碍。以东滩煤矿六采区巨厚硬岩工作面开采为工程背景,根据工作面开采期间矿震发生规律、地层结构特征及煤层开采条件,提出了地面直井分段水压致裂防控深井巨厚硬岩运动型矿震的方法,通过地面直井压裂降低巨厚硬岩的完整性、减小巨厚硬岩运动释放的弹性能,压裂期间采用自主研发的高精度连续采集微震监测系统对压裂过程中形成的裂缝形态进行监测,通过对压裂过程中的管路压力曲线、微震事件以及压裂后63_(上)06工作面回采过程中发生的微震事件规律进行分析,得到以下结论:(1)通过对压裂曲线以及压裂过程中接收到的有效微震事件在时间上分布规律的分析,将地面直井巨厚岩层水压致裂裂缝形成发育的整个过程分为起裂、岩石裂隙扩展、主裂缝形成、主裂缝延伸与次生裂缝形成和裂缝闭合返排5个阶段;(2)根据微震监测结果,地面直井高压水致裂形成的主裂缝方向143°~150°,长度为220~300 m,竖直高度300~344 m,基本实现了对目标巨厚硬岩的全厚压裂;(3)根据63_(上)06工作面在地面直井压裂区域开采期间的微震监测结果,对比相邻3个工作面在0~500 m开采期间1.5级以上矿震事件平均减少约54%,基本实现了预期的地面压裂减震目标,为东滩煤矿六采区巨厚硬岩工作面安全开采提供了保障。