基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测技术及应用

基于覆岩空间结构理论的基本思想,结合力学分析,研究了"S"型覆岩空间结构的岩层组成、运动规律、应力分布特征,探索了基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测方法.基于山东华丰煤矿微地震监测的结果,证明除了受构造、煤柱等影响区域外,当"S"型覆岩空间结构在工作面推进至单工作面"见方"、双工作面"见方"、三工作面"见方"阶段,由于采场上方覆岩空间结构相互连通,其运动范围和烈度增大,更容易诱发冲击地压.结合华丰矿1410工作面的开采实际,预测了冲击地压发生的时间和地点.

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。

三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构及其矿压控制

通过理论和实践研究,提出了三面采空综放采场"C"型覆岩空间结构运动的矿压显现规律和相关矿压控制技术.此类采场矿压控制的理论基础是采场"C"型覆岩空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题是工作面巷道和切眼围岩矿压加剧造成的灾害形式及其控制技术和因坚硬岩层断裂引起的冲击地压的可能性预测和防治技术.通过兖州煤业股份有限公司南屯煤矿的工程实例,系统介绍了矿压灾害监测技术和控制方法.结果表明,文中提出的对岩层结构的认识和采取的监测控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用.

基于覆岩空间结构理论的矿压特征分析及应用

基于覆岩空间结构理论,一面采空、两面采空边界条件下覆岩结构称为"O"型和"S"型,结合矿压知识及工程背景的特殊条件,将二者转换过程中覆岩结构定义为"O-S"型。在系统分析三种结构构成、运移规律和应力分布特征的基础上,对矿山动力事件进行分析与防治;现场侧向支承压力监测结果显示基于覆岩空间结构理论的结构构成及相关计算相似,现场顶板岩层离层监测结果显示基于覆岩空间结构理论的覆岩运移规律阐述可靠,工作面矿压特征监测结果显示基于覆岩空间结构理论的特厚煤层矿压特征分析与实际发生情况基本一致,研究可为类似条件下矿压特征分析与岩层控制提供一定借鉴。

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的"S"型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。

煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究

煤矿工作面高强度、大尺度快速推进,导致采场覆岩运动范围增大,空间结构复杂。多工作面情况下,工作面与采空区覆岩结构协同运动,相互影响,造成的矿山动力灾害,称之为覆岩空间结构失稳型动力灾害。根据工作面上覆岩层边界状态的不同,将覆岩空间结构分为OX,F与T型3类。研究OX-F-T演化特征,即顶板O-X破断形成的OX结构为覆岩基本形式,同时又作为相邻工作面的边界条件,一侧为OX结构形成F型覆岩结构,两侧存在OX则形成T型覆岩结构。阐述不同结构的断裂运动规律,并将各结构进行详细分类。利用现场SOS微震监测系统,分别选取代表OX,F与T覆岩结构的单一工作面、双工作面、孤岛工作面,分析各工作面开采过程中的震源分布规律。针对不同覆岩结构特征,提出不同的防治措施,为冲击震动的预防工作提供理论指导。

矸石膏体充填采场覆岩空间结构演变规律

为研究矸石膏体充填采场覆岩运动的问题,采用力学分析、相似材料模拟和现场监测的方法,研究了矸石膏体充填采场覆岩空间结构的演变规律.结果表明:矸石膏体充填采场覆岩存在3种结构,第一种结构为直接顶和基本顶均弯曲下沉型,第二种结构为直接顶断裂、基本顶弯曲下沉型,第三种结构为直接顶和基本顶均断裂型.相似材料模拟和现场实测还表明矸石膏体充填采场以第一种覆岩结构居多,第二种覆岩结构多发生在采空区封闭空间出现连续的漏浆事故之后,基本不存在第三种覆岩结构.

“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理

针对"C"型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采空孤岛采场动压致灾机理。结合工程实践,基于微地震定位监测结果揭示"C"型覆岩空间结构应力分布和变化特征,验证了"C"型覆岩空间结构采场采动阶段诱发动力灾害规律。

基于采场覆岩空间结构的宽条带开采技术研究

基于采场覆岩空间结构理论,分析厚硬岩层组在控制地表沉陷中的作用.根据厚硬岩层组与煤柱组成的空间支撑结构原理,提出大采宽留宽宽条带开采设计思路,并推导该宽条带开采参数的设计方法,理论分析了其可行性和优越性.结合现场实例,设计相应的条带开采参数,通过FLAC3D数值模拟和现场观测相结合的方法,对比分析了大采宽留宽条带开采实施前后地表下沉系数,以及对地表沉陷的控制效果.结果表明,基于采场覆岩空间结构的大采宽留宽宽条带开采技术是可行的,能够在控制地表沉陷的同时,提高了条带开采的效率和资源回收率.

“s”型覆岩空间结构的冲击地压危险区预测

基于微地震监测和覆岩空间结构理论,以山东华丰矿1410工作面为例,分析了"s"型覆岩空间结构的形成,利用理论方法和微地震监测预测并圈定了华丰矿1410工作面发生冲击地压的危险区域,研究了"s"型覆岩空间结构的冲击地压危险区分布规律,为现场预测和控制冲击地压灾害提供了理论基础。

煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制研究

煤层开采后,上覆岩层发生破断运动,对巷道和回采工作面施加静载荷和动载荷,诱发煤层顶板和冲击矿压灾害。而上覆岩层的运动不仅是单个工作面回采的结果,也可能是多个工作面回采共同作用的结果。微震监测表明,对于采用小煤柱护巷,尤其是覆岩中存在厚层坚硬关键层的矿井,冲击矿压震源往往集中在相邻采空区中的厚硬岩层中,说明煤矿覆岩在空间上存在着结构,并且采空范围(边界条件)不同,覆岩的空间结构是动态演化的。空间结构演化与失稳过程中造成的冲击矿压动力灾害称为覆岩空间结构失稳型冲击矿压。为了揭示此类冲击矿压的机理,提出煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制,并采用实验室物理模拟试验、FLAC3D数值模拟试验、理论分析和工程实践4种方法进行研究。煤矿覆岩破断后的形态是空间结构,空间结构的形成与失稳是动态演化的。煤矿覆岩在层面方向上各关键层破断成"O-X"形态,不同层位的"OX"结构形态空间上形成柱台体,与之相邻的边界覆岩在竖向剖面上形成"F"型结构。覆岩层面方向破坏的"OX"结构向上发展,剖面方向上的"F"结构也会发生破断失稳。因此,"OX"与"F"结构及其相互转化构成了煤矿覆岩的整体空间结构形态,"OX"与"F"结构的形成与失稳不断进行,称为煤矿覆岩空间结构的动态演化循环。考虑顶板断裂线、煤柱稳定性与动态破坏3个因素,给出覆岩空间结构动态演化的条件判据,根据工作面受"OX"与"F"的影响程度不同,将工作面分为"OX","F"及"T"型空间结构工作面,并根据关键层的破断特征进行详细分类。通过实验室相似材料试验,模拟多工作面连续回采时"OX","F","T"型工作面的空间结构的形成与演化规律。FLAC3D模拟表明覆岩性质不变的情况下,采空区范围不同,煤层应力集中程度的规律为:短臂对称"T">非对称"T">短臂"F">长臂对称"T">长臂"F">"OX",而关键层的来压次数则是长臂结构>短臂结构。"OX"工作面应力集中随工作面宽度线性增大;短臂"F"工作面,长度增加有利于整个工作面范围内支承压力的降低;长臂"F"工作面,工作面加大,端头支承压力将降低,中部支承压力将升高;孤岛"T"工作面加大工作面宽度对工作面端头与中部的应力降低均有作用。基于弹性板与关键层理论,分析了"OX"结构破断与形成过程,给出了基于纳维解法的应力精确解,提出了"F"结构存在主动与被动两种失稳模式,被动失稳能导致下位结构呈整体滑落失稳,失稳速度快,厚度大,冲击力强,危险程度高于主动失稳过程。覆岩空间结构失稳型冲击矿压的本质为动静组合加载的复合型冲击。从应力、能量与震动效应构建了表示冲击发生的判据。动静组合加载的模拟表明,在动静载之和相等的情况下,高静载+低动载的组合方式冲击危险性高于低静载+高动载的组合。针对覆岩空间结构失稳型冲击矿压的特点,建立了以动静载应力场监测为基础,以空下巷道布置、定向高压水力致裂为关键技术的预防体系,通过济三煤矿"F"工作面63下05与"T"工作面163下02C的防冲实践验证了论文提出的覆岩空间演化诱冲机制能够有效地指导现场防冲工作。

采空区顶板见方垮落的覆岩空间结构特征及形成条件

见方垮落是工作面采空区顶板的一种特殊形式垮落,基于覆岩空间结构理论及薄板结构模型,对其覆岩空间结构特征及形成条件进行研究。顶板见方垮落实质为某关键层初次整体垮落,形式呈正"O-X"破断,其形成条件极为苛刻,需顶板结构及强度、区段煤柱特性、采空区边界条件、工作面宽度、工作面推进距离等因素满足对应关系。判别工作面见方垮落时,需从采区内首采工作面开始,依次计算各工作面回采后关键层的破断情况。工作面宽度越大,关键层见方垮落所需的关键层厚硬程度更高,这是多数工作面所不能满足的,而将冲击地压工作面见方区域均划定为冲击危险区往往偏于保守。

采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究

针对上覆多层坚硬砂岩组破断时释放的动载荷耦合集中静载荷区弹性应变能易诱发冲击地压显现的问题,采用现场监测、统计分析的方法,探索了覆岩空间破裂与采动应力场关联性对冲击地压显现的影响,对覆岩空间破裂分布特征及采动应力场分布特征进行了监测分析,依据研究结果对临空巷道超前支护方式进行了优化与实践验证。研究表明:纳林河二号矿井31102工作面覆岩破裂剧烈区位于3-1煤层顶板上方30.3 m,厚度为14.85 m的细粒砂岩层内,并超前工作面30～40 m;超前支承压力影响距离至工作面前方254～280 m,峰值点距工作面小于66 m。覆岩破裂剧烈区与采动应力场峰值区(两区)相距较近,易诱发冲击地压灾害,在超前工作面0～40 m两区下方的临空巷道采用垛式液压支架超前支护顶板,可有效防治冲击地压。

混合综采工作面覆岩运移规律及空间结构特征分析

基于平煤十二矿深部开采面临的排矸量大、辅助运输困难、矿区环境污染以及常规充填面产能不足工程背景,创新了矸石充填与垮落法混合综采技术并阐述了其技术内涵。采用理论分析、物理相似模拟和现场实测方法系统地研究了混合综采工作面覆岩运移规律和空间结构特征。通过理论分析得到了不同充实率状态下混合综采工作面覆岩空间结构特征;物理相似模拟结果表明,混合综采工作面充填段基本顶仅发生弯曲下沉,而垮落段直接顶垮落、基本顶断裂,垮落段基本顶平均下沉量是充填段的4.2倍,覆岩空间结构表现出明显的非对称特征。矿压实测数据显示,充填段采场无明显的来压现象,垮落段来压现象显著,初次来压步距约30 m,周期来压步距约22 m,动载系数达1.7左右;岩层钻孔窥视结果观察到充填段顶板完整,覆岩空间结构呈现"两带"发育特征;垮落段覆岩结构呈"三带"发育特征,混合综采工作面覆岩非对称性空间结构特征显著。

充分采动阶段覆岩多层空间结构支承压力研究

将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震定位监测,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,建立覆岩空间结构走向支承压力模型;利用力学方法,得到走向支承压力计算公式;利用上述计算方法,研究了新汶矿业集团华丰煤矿1410工作面走向超前支承压力分布规律,并与现场微地震监测结果进行了对比分析.研究表明:上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的充分采动阶段采场走向支承压力的估算和预测.

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测。

基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法

针对待采综放工作面的地表最大下沉值难以精准确定的问题,依据采空区覆岩移动、变形、破坏特点和矿压显现规律,提出覆岩剩余自由空间高度等于地表最大下沉值的观点,通过分析覆岩剩余自由空间高度与采高、垮落带高度和垮落岩体残余碎胀高度之间的空间转变关系,构建了待采工作面地表最大下沉值的计算模型。以大平矿S2S2工作面为例,利用计算模型得到的地表最大下沉值为11.17 m,通过现场实测得到的最大下沉值为11.07 m,计算结果与实测结果的相对误差为0.10 m,误差率仅为0.90%。

基于覆岩结构理论的冲击煤层孤岛工作面宽度研究

针对冲击煤层孤岛工作面上覆岩结构复杂、开采极易诱发冲击地压等灾害问题,提出了采前孤岛工作面宽度设计的留设方法。以山东某矿为工程背景,首先根据孤岛工作面周边采动情况及覆岩运动规律,确定关键层是否破断,进而得到了孤岛工作面"Γ"型覆岩结构分布;其次采用矿压理论分析不同覆岩结构分布对工作面应力传递规律,估算了孤岛工作面静态支承压力;最后根据孤岛工作面应力分布特点,理论分析了工作面整体支承强度,并结合工作面回采冲击失稳发生机理,确定了工作面宽度合理范围。通过工程类比与理论计算,得到了该矿3上1105孤岛工作面宽度大于170 m的结论,为工作面宽度设计提供理论依据。

特殊“S”型覆岩结构冲击地压危险区划分

为避免济宁二号煤矿23上03工作面回采期间造成冲击地压事故,保证其安全回采.分别采用覆岩空间结构理论分析和FLAC3D数值模拟的方法探讨了23_上03工作面在不同阶段的应力分布及演变规律,并划分了冲击地压发生的危险区域.得出当23_上02和23_下07都采空后,23_上03工作面在推进至23_上02工作面切眼前后30m附近时,沿空顺槽靠近采空区一侧易造成冲击地压事故.

结构瞬变激励下采场煤岩的力学响应

煤岩动力灾害是深部矿井开采面临的主要灾害之一,揭示采场煤岩动力学响应的发生机理,是解决采场煤岩动力灾害的理论基础。采用理论分析、模拟实验和现场实测相结合的方法,研究覆岩空间结构瞬变激励作用下采场煤岩的动、静力学响应。结果显示:工作面形成后,覆岩发生变形破坏,破裂面以外、采动影响范围以内不同岩层组成的覆岩空间结构,是其影响范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内因。回采过程中,坚硬岩层的破断等子系统的瞬时失稳,会造成覆岩空间结构大系统的瞬变,进而导致其影响范围内采场煤岩动态力学响应的发生和静态力学响应的阶变。在采场煤岩的动力学响应过程中,其动载是由震源区的震动和覆岩空间结构的瞬变共同引起的,其耗散的能量由震源区释放的应变能和覆岩空间结构释放的重力势能两部分构成;并且,采场煤岩的动力学响应具有区域性,远离瞬变区域的动力学响应不明显。受覆岩空间结构瞬变影响,瞬变前、后的平衡态时,其影响范围内采场煤岩的静态力学响应存在明显差异,工作面前方煤体上的支承压力峰值点前移,峰值减小,形成正、负阶变区。基于动静法,建立了一种覆岩空间结构瞬变过程中采场煤岩动-静载荷叠加的定量计算方法,最大动载量约为静态应力阶变量的2倍,工作面前方煤体上瞬时最大支承压力的峰值位置位于初始静载峰值的前方。