坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果:①孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;②401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;③井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂岩等是矿井冲击地压灾害的主要诱因,对上覆高位坚硬厚层砂体进行区域水力致裂弱化,可显著降低矿井冲击地压风险。

基于层次分析法的宁正矿区大埋深煤层冲击地压主控因素研究

工作面在掘进过程中不同的因素对冲击地压的作用不一样。为了探索深部开采条件下,影响冲击地压显现的各种因素,以某矿大巷掘进工作面为研究背景,对主要影响因素进行了分析,并利用层次分析方法对其进行了权重的确定,研究结果表明,开采深度、煤层厚度、褶曲构造及坚硬覆岩对大巷区域的冲击危险性有明显的影响,其中褶曲构造和坚硬覆岩的影响尤为显著。对工作面区域进行划分,以层次分析法(AHP)为基础,建立了一套冲击矿压影响因子权重评价体系,从而识别出各个区域的影响因子之间的权重差异。在确定了各个地区的主控因素之后,用大巷开挖时的各区域微震资料来验证结论,经过检验,微震资料和结果高度一致,由此证实了本论文的论点。结果对煤矿冲击风险定量评估具有一定的借鉴意义。

坚硬覆岩条件下矿震诱发冲击地压机制与防治技术

为了保证济三煤矿53下01工作面的安全回采,采用了理论分析的方法建立了坚硬覆岩矿震诱发冲击地压的模型,根据上覆岩层的运动规律及能量传播过程,对矿震诱发冲击地压的机制进行了研究,并确定了强矿震的辐射区域,在强矿震的辐射危险区域采用大直径钻孔和顶板预裂技术进行卸压,并采用钻屑法对冲击地压实时监测,结果表明,卸压后危险区域最大钻屑量均未超过临界值(4.0 kg/m),小于冲击极限煤粉量,有效地预防了冲击地压发生的危险。

永冻覆岩层下综采工作面坚硬顶板弱化处理技术

针对卡洼掌煤矿工作面上覆岩层为永冻岩层,为了保证在该条件下坚硬顶板综采工作面安全生产,在开切眼内向顶板钻孔进行工作面断顶爆破,同时在工作面运输巷和回风巷向顶板布置扇形钻孔进行拉槽截断爆破,在永冻覆岩层下实施了工作面顶板爆破预裂弱化试验,并通过综采工作面安装的KJ27在线监测系统,对顶板弱化处理后的采场矿山压力显现进行监测。监测结果表明:采场顶板初次来压和周期来压步距分别为19、15 m,周期来压步距较顶板弱化前降低50%,避免了工作面大面积悬顶的威胁,防止工作面顶板事故的发生。

祁东煤矿综采覆岩破坏特征

阐述了祁东煤矿地质采矿条件的特殊性,介绍了祁东煤矿综采覆岩破坏的实测结果,结合国内其他矿区覆岩破坏的一般规律及特点,对比分析了祁东煤矿综采中硬覆岩破坏的异常特征,指出了祁东煤矿综采覆岩破坏出现异常的主要原因。

特厚煤层工作面长度对矿压显现的影响

为了分析特厚煤层工作面长度与矿压显现的关系,采用理论分析和数值模拟方法,从工作面支架载荷、覆岩破坏高度和采场围岩应力等方面进行了深入研究。根据普氏平衡拱理论,计算得到不同工作面长度支架所需的载荷;采用关键层理论,确定工作面长度大于178 m主关键层将发生破断,工作面开采将受到侏罗系覆岩采动影响;采用FLAC^(3D)数值模拟方法,对不同工作面长度的围岩应力进行了分析。研究表明:工作面长度的变化导致支架载荷、覆岩破坏和围岩应力发生变化,当工作面长度小于178 m时,有利于减弱矿压显现强度,避免强矿压的发生。

硬质岩浅埋大断面隧道施工技术

文章以胶州湾海底隧道右线大断面洞段施工为背景,对浅埋、大断面暗挖隧道施工方法进行探讨。在对设计建议施工方案进行充分研究的基础上,结合施工经验和国内外先进施工理念,通过采用超前注浆、长锚杆、纵向连接加固、弱爆破等工程措施,实现了大断面洞段的安全、快速、经济施工,成功解决了硬岩、浅埋、暗挖大断面隧道的施工技术难题和组织难题,为类似工程提供了全新的解决方案和处理思路。

中硬覆岩大采高工作面顶底板“三带”发育高度观测研究

针对斜沟煤矿8号煤层18102工作面的地质特征,进行现场钻孔压水试验.并用井下实测结果,提出合理综采一次采全高条件下"三带"高度计算的经验公式,对采区和工作面防水煤柱的留设、一次采全高的留采比确定具有一定指导意义。

坚硬覆岩顶板内部能量动态变化规律研究

针对宣东煤矿坚硬覆岩顶板工作面动力灾害频发的问题，在已有成果的基础上，通过数值模拟对回采过程中顶板内部能量变化规律进行定量化研究，结果表明：采动影响前，煤层、直接顶和老顶的内部能量分别约为40 kJ、80 kJ和40 kJ ，能量主要集中于直接顶；煤层开采后，浅层直接顶内部能量释放，范围呈“椭圆形”，回采距离在80～120 m过程中，直接顶发生首次垮落，老顶能量开始增加；回采过程中，在超前支承压力的作用下，工作面前方2m左右浅层直接顶内部产生能量集聚现象，峰值能量随开采距离的增加呈线性增长，E＝0．6836△l＋91．245（R2＝0．9996）；随着监测层位的上升，上述增幅变缓，采空区跨度不变时，顶板岩体峰值能量随深度的增加呈三次函数降低。

深厚覆盖层上超硬岩快速填筑面板堆石坝三维应力变形有限元数值模拟

结合建在深厚覆盖层上的苗家坝水电站面板堆石坝施工中遇到的实际问题——大坝填筑料硬度很大而且工期紧,填筑工程量大,填筑工序复杂。通过对大型非线性有限元通用软件ADINA的改进和开发,建立了面板堆石坝的三维数值模型,对大坝快速填筑坝的全过程进行数值模拟,计算分析此面板堆石坝填筑到各个时期的位移和变形、大小主应力的变化以及填筑完成蓄水以后坝体沉降和应力的变化趋势等。文章研究成果对在深厚覆盖层地基上利用超硬岩堆石料进行快速筑坝具有一定的实用价值,对类似的工程也有比较大的参考价值,部分研究成果已在该工程的设计和施工中得到应用。

朱仙庄煤矿特厚煤层变间距覆岩坚硬顶板控制技术

煤层的巨厚坚硬顶板滞后垮落对采煤工作面矿压显现具有重大影响,通常采取超前预裂措施降低顶板悬跨长度。以淮北矿业集团朱仙庄煤矿883-1工作面覆岩巨厚砾岩顶板治理为背景,针对工作面煤层与巨厚砾岩之间的距离变化特点,划分了巨厚顶板重点控制区域。在特厚煤层覆岩层位结构分析的基础上,得到了覆岩给定载荷,分析了层间距变化对采场矿压的影响,确定了覆岩控制目标层,设计了炮孔空间布置参数。采用高性能煤矿水胶炸药配合多向聚能管和注浆封孔工艺,对煤层的坚硬顶板实施了深孔爆破,取得了良好的坚硬顶板爆破致裂效果,采场巷道围岩变形及工作面矿压显现得到了有效控制。

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。

基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。

坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征模拟研究

针对工作面坚硬顶板破断及其动态演化易导致强矿压显现等问题,以门克庆煤矿为背景,通过相似模拟试验,深入了解和分析坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征。结果表明:低位坚硬覆岩初次来压步距为60 m,周期来压步距为20~30 m,覆岩结构由短砌体梁结构逐渐演化为采空区两侧形成的F型悬臂梁结构;中高位坚硬覆岩初次来压步距为130 m,周期来压步距为50~80 m,覆岩结构由长砌体梁结构逐渐演化为与低位坚硬覆岩共同在采空区两侧形成F型悬臂梁结构;坚硬覆岩纵向位移变化区域逐渐增大,采空区中部位移增量大于两端,顶板最大下沉量为5.69 m,位于采空区中部;中高位坚硬覆岩"大周期来压"与低位坚硬覆岩"小周期来压"协同作用,导致工作面出现强矿压显现,严重影响工作面安全回采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论指导意义。

坚硬顶板煤层群开采导水断裂带发育高度模拟研究

采用FLAC^(3D)数值模拟软件建立了大同矿区煤层群开采的数值模型,模拟研究了煤层群开采时覆岩导水断裂带的发育过程,分析了3-5~#煤层导水断裂带发育高度与煤厚、工作面长度的关系。模拟结果显示:坚硬顶板下近距离煤层群下行开采,随采动次数增加覆岩导水断裂带高度增加的幅度逐渐减小;随煤层厚度的增加,3-5~#煤导水断裂带高度增加,当煤厚>13 m时,其增幅变大;随工作面长度的增加,3-5#煤导水断裂带高度增加,当工作面长度>190 m时,导水断裂带增幅减小;煤厚为15 m时,将工作面长度缩短至180 m时可确保3-5~#煤的导水断裂不与15#煤采空区贯通。