近距离煤层群叠加开采采动应力与覆岩位移场演化特征

为获得近距离煤层群叠加开采条件下采动应力与覆岩位移场的演化特征,以潘二矿近距离煤层6,7煤层地质条件为背景,采用相似模拟与工程实践相结合的方法进行了研究。结果表明:近距离煤层群叠加开采形成的覆岩宏观运移形态和特征与单一煤层开采相似,叠加开采时,覆岩呈多岩层整体协调运移的规律,具有位移叠加增长效应;7煤层的开采使覆岩起到一定的垫层作用,缓和了矿山压力,使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应;与开采7煤层相比,6煤层开采过程中,周期来压步距减小,来压时支架载荷减弱,动压系数相应减小,但周期来压时,存在部分岩层发生台阶式下沉的现象。基于近距离煤层群叠加开采研究结果,在近距离煤层群开采的设备选型时,选用了高额定工作阻力的液压支架,在周期来压期间,采取了一定的辅助措施,同时加强了组织管理,生产中没有发生冲击液压支架及其他动力灾害的现象。

千米深井回采工作面矿压显现规律及覆岩位移特征

在深部煤炭开采过程中,强开采扰动和高地应力作用下的岩体会面临典型的动静组合加载问题,千米深井很容易因此产生一系列地质灾害,回采安全会因此受到严重威胁,相关研究也能够证明这类问题的严重性。基于此,本文结合沈煤集团的红阳三矿开展研究,深入探讨千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,希望研究内容能够给千米级深井的安全生产带来一定启发。

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。

深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究

为研究左、右、上三面均存在老采空区的深部“三面”孤岛工作面回采过程中覆岩变形破坏特征,以某煤矿120502工作面为研究对象,利用FLAC3D模拟软件对回采过程中覆岩应力、位移和塑性区变形特征进行了系统的数值研究。结果表明:左、右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面在回采过程中主要受上部老采空区扰动,倾向上左侧煤柱应力集中程度较高,走向上工作面前方的垂直应力先降低后不断升高,应力集中系数不断增大;垂直位移的方向由向下转变为向上,向下的垂直位移峰值不断增大,但向上的垂直位移峰值保持稳定;塑性区的破坏范围呈现“马鞍形”,逐渐扩大与临近3个老采空区塑性区相互贯通,且顶板上方岩体处于拉压应力区,采空区围岩裂隙发育更为充分;临近老采空区和卸压煤体内的瓦斯均向开采层采空区流动,应重点加强该工作面采空区内的瓦斯抽采工作。

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明:在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层位越低,其峰值应力越大,应力变化幅度越大。最大主应力主要沿水平方向发生偏转,最小主应力则由工作面推进方向逐渐向垂直方向偏转。由弱扰动区域至采空区中心,应力反向偏转位置由倾向中部逐渐向上部移动,应力路径的非对称偏转传递特征愈发明显。大倾角大采高采场采动应力时空演化规律及采动应力-位移-覆岩断裂结构的映射关系为揭示大倾角大采高采场围岩失稳致灾机理提供基础,并结合生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面坚硬顶板冒垮压架防治措施。

2172工作面煤与瓦斯协调开采技术研究

为保障地面瓦斯抽采井安全运行与2172工作面的顺利回采,通过数值模拟对工作面不同推进长度下覆岩位移及应力变化情况进行分析,得出了采煤工作面的合理布置参数。研究结果表明:瓦斯抽采井的破坏条件为周边覆岩位移大于50 mm和应力大于21 MPa;通过FLAC3D模拟分析得出工作面最大推进长度为550 m,此时抽采井周边覆岩位移量约为35 mm,抽采井主体位于20~21 MPa安全应力区范围内;2172工作面共计回采煤量94.8万t,工作面回采结束后抽采井产量稳定在500 m^(3)/d左右,实现了煤与瓦斯协调开采。

基于计算机仿真技术的煤炭开采研究

以某矿3502工作面为研究对象,利用实际勘测数据建立了计算机仿真分析平台。通过仿真结果分析,总结了层面效应和空间效应对煤层上覆地面水平位移和下沉值的影响。仿真结果和实际勘测结果接近,验证了仿真模型的有效性。此研究为煤矿企业井下岩层变化特征的分析提供了参考依据。

一种矿山相似模拟设备的研发与应用

针对目前相似模拟试验装置存在的加载不均衡、内载荷精确度不高、载荷分布不均匀、水袋压力加载易出现漏水、水袋破裂、维护不便等问题,研发了一种气泵式加载相似模拟试验装置。为验证该装置的可靠性,以中煤塔山矿综放工作面为例,对老空区下综放面回采过程中覆岩位移规律进行研究,同时利用UDEC数值模拟对比相似模拟结果。结果显示,随开采距离增大,煤层直接顶垮落,并与上覆老空区导通,进一步开采后,上层基本顶发生破断,垮落带迅速发育至煤层以上60 m,此后覆岩三带发育高度逐渐增大并保持稳定,同时垮落带被压实,数值模拟与相似模拟试验结果保持一致,证实了该试验装置的模拟效果精准、可靠,具有一定的推广性。