Study on the Fissure Rate in the Roof Strata of Excavated Coal Seams

In the past decades,the intense excavation of coal resources in China has induced a series of severe waterrelated disasters or problems,such as water burst accidents,severe groundwater depletion and contamination.All of these problems were caused by the structural changes of roof rocks or bed rocks induced by coal excavation.The structure of collapsed roof rocks is generally classified into three zones：falling zone.

Fundamental principles of an effective reinforcing roof bolting strategy in horizontally layered roof strata and areas of potential improvement

It is arguable that the development of reinforcing roof bolting systems has largely stagnated in recent times, primarily due to the prevailing industry view that few, if any, further improvements can be made to what currently exists.However, this paper contends that reinforcing roof bolting systems can be further refined by considering both the specific manner by which horizontally bedded roof strata loses its natural self-supporting ability and the specific means by which reinforcing roof bolts act to promote or retain this natural self-supporting ability.The Australian coal industry has insisted on minimising bolt-hole diameter to maximise load transfer and on targeting full-encapsulation by any means necessary for many years.This has led to a significant, albeit unintended, consequence in terms of overall roof bolting effectiveness, namely increased resin pressures during bolt installation and the associated potential for opening bedding planes that may have, otherwise, remained closed during the bolt installation process.Given that the natural self-supporting ability of roof strata is strongly linked to whether bedding planes are open or closed, logically, minimising resin pressures should be a significant benefit.This paper focuses primarily on three key issues that relate directly to the function of the roof bolting system itself:(1) the importance of proper resin mixing in the context of maximising load transfer strength and stiffness,(2) the importance of minimising resin pressures developed during bolt installation, and(3) the importance of maximising the effectiveness of the available bolt pre-tension.All mine operators should be invested in improving the individual effectiveness of each installed roof bolt, even by relatively small incremental amounts, so this is an important topic for discussion within the mining community.

顶板水平井分段分簇压裂治理掘进巷道瓦斯模式研究

为了解决淮南矿区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯抽采效率低的问题,提出了煤层顶板水平井分段分簇压裂瓦斯治理模式。运用数值模拟方法和物理相似模拟方法研究了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程;运用产能模拟的方法研究了分段分簇压裂的产气效果,对分簇压裂和不分簇压裂进行了剩余瓦斯含量对比分析。裂缝扩展数值模拟结果表明:煤层顶板水平井内的裂缝能够扩展至煤层,将煤层全部压开,且由于煤层的塑性大于顶板砂质泥岩,煤层形成比顶板更为宽泛的压裂缝。裂缝扩展物理相似模拟结果表明:在考虑了泥岩伪顶发育的条件下,水平钻孔布置在碎软煤层顶板的砂岩内,在合理的垂直距离和大排量压裂液施工的环境下,若煤层发育有较薄的泥岩伪顶,裂缝能沿着射孔孔眼穿过直接顶−伪顶界面(粉砂岩−泥岩界面)和伪顶−煤层界面(泥岩−煤层界面),扩展至下伏煤层内,裂缝延伸形成1条弯曲不规则的阶梯型裂缝,能实现对碎软煤层的压裂改造目标。但是,当煤层发育有较厚的泥岩伪顶时,泥岩对水力压裂产生了阻挡作用,导致裂缝难以压开下伏煤层。产能模拟结果表明:在相同的地层环境和施工条件下,经过3 a的抽采,单段不分簇压裂能够产生更大的瓦斯抽采影响范围,但不能均匀降低掘进巷道的瓦斯含量,压裂段之间出现了瓦斯抽采空白带,分簇压裂产生的瓦斯抽采影响范围小,却能够更均匀的降低掘进巷道的瓦斯含量。经过在淮南地区潘谢煤矿的工程验证,在10 m^(3)/min的施工排量下,裂缝长度最长可以达到193.8 m,最大缝高27.0 m,单井日产气量最高达到1490 m^(3)/d,2 a的瓦斯抽采量达到31×10^(4) m^(3),说明煤层顶板水平井分段分簇压裂技术是淮南地区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯高效抽采的有效模式。

非均厚“弓形”巨厚关键层动静载作用机制

巨厚关键层破裂运动是诱发矿山动力灾害的重要因素,探究其厚度变化对采动应力分布及破裂动载的影响,对明确巨厚关键层采场动、静载来源及冲击矿压孕育机制具有重要意义,是冲击矿压风险预测及灾害防控的理论基础。以陕西彬长矿区某矿非均厚“弓形”巨厚关键层为研究对象,综合理论分析与数值仿真计算,剖析了巨厚关键层“弓形”形态下伏煤岩体采动应力异常集中的力学原理,探明了“弓形”形态对巨厚关键层破裂特征的影响规律,揭示了“弓形”形态下伏区域动静载叠加致灾机制,据此提出了“弓形”巨厚关键层破裂致灾风险预测方法。结果表明,“弓形”巨厚关键层底部凸起导致下伏煤岩体垂直应力异常集中,相较于均匀厚度巨厚关键层,该区域煤岩体垂直应力额外增加22.1 MPa,增幅比例高达56%,此为下伏煤岩体高静载形成的根本原因。同时,伴随着开采范围的扩大以及非均厚“弓形”巨厚关键层运动,造成其底部内凹拐角区出现显著的高应力集中现象,导致该区域岩石发生破裂及弹性能快速释放,此为强动载形成主要原因。在上述非均厚“弓形”巨厚关键层动静载叠加作用下,煤柱大巷区域极易出现冲击矿压。基于此,准确识别并定位了非均厚“弓形”巨厚关键层影响下采动覆岩动载形成来源及发生区位,结合巨厚关键层分布式光纤原位监测结果,以光纤断裂高度为监测指标,验证了巨厚关键层破裂及动载荷形成之间的内在联系。

大采高综采工作面矿压显现及顶板活动特征研究

为了得到唐山某煤矿综采工作面的矿压显现及顶板活动特征,基于关键层理论、“悬臂梁-砌体梁”力学模型,通过现场观测、理论分析、数值模拟的方法对9煤层矿压显现特征、顶板结构、支架工作阻力开展了深入研究,建立了覆岩结构力学模型,得到了工作面支架工作阻力的合理计算式。研究结果表明:工作面来压步距和来压大小均有一定的规律性,呈现一大一小的周期来压现象,来压期间中部测区支架荷载最大,两边偏小;通过直接顶关键层判别方法,确定了第2层岩层和第7层岩层分别为亚关键层1和亚关键层2。亚关键层1破断后以“悬臂梁”结构形态垮落进入采空区,亚关键层2破断后形成了稳定的“砌体梁”结构,此时亚关键层1与亚关键层2共同组成了“悬臂梁-砌体梁”结构;第2层岩层和第7层岩层组成的双关键层结构的破断运移规律导致了工作面呈现一大一小的周期来压现象。当双关键层同步破断时,支架工作阻力为13 688 kN。

厚硬顶板高强度开采覆岩破断 及来压规律研究

针对榆神矿区厚硬顶板高强度开采条件下,工作面煤壁片帮大、支架结构件损坏等强矿压问题,采用了数值计算、理论分析和微震监测等技术手段,对工作面覆岩破断运动及来压规律进行了分析研究。结果表明,厚硬顶板破断具有明显的垂向分区下沉特征,高、低位岩层之间较大的垂向离层空间和自下而上顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“小周期”来压期间内,来压强度将随着直接顶破断发育高度的降低而减弱,直接顶碎胀系数的增大将有利于来压强度的降低;“大周期”来压期间内,中高位岩层垂向破断高度和走向破断步距的增大都将引发来压强度上升,厚硬关键层的组合破断是“大周期”来压增强的关键诱因。针对该条件下的强矿压防治,提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得了较好的应用效果。

两次采动影响下小煤柱巷道切顶卸压围岩控制技术

为解决多次采动影响下留小煤柱巷道矿压显现剧烈、围岩变形量大的问题,提出了“切顶卸压+顶、帮锚索补强”联合控制技术。以贾家沟煤矿10115运输巷为工程背景,分析了切顶卸压位置、高度与巷道围岩垂直应力分布的关系,给出切顶卸压关键参数,并研究了留小煤柱巷道在切顶卸压后受两次采动影响下的矿压显现规律。结果表明:切顶卸压后,煤柱上的应力峰值随切顶深度的增加呈指数降低;10115运输巷在邻近工作面一次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出无变形、缓慢变形、快速变形和围岩稳定的变化规律,本工作面二次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出明显变形和剧烈变形的规律;巷道围岩在受二次采动影响时变形更加剧烈,巷道变形量为一次采动时的3.0~7.5倍。

“三软地层”超前探放水综合控制技术

“三软地层”探放水钻孔孔口管固管安装困难、顶板遇水塌陷渗水、疏放水钻孔坍塌堵孔以及钻孔缩颈的施工技术一直难以解决。通过理论计算与工程实践,摸索了一套探放水创新施工工艺,进行了优化钻孔参数设计,11701工作面大部分顶板疏放水钻孔垂高取200 m,终孔孔距不大于60 m,富水区域进行加密。技术上攻克了套管加长后固结难的技术难题,研发出一套“分级注浆固管法”,将整个套管牢固安装在设计位置,实现了在软岩区域快速固结安装超长孔口套管的新工法。针对“三软地层”的钻孔探放水,为了解决“三软地层”的探放水钻孔在成孔后坍塌堵塞的技术难题,创造性的研发出三级注浆以及“全孔花管护壁新工艺”;工程实践证明该套技术方案很好地解决了“三软地层”探放水钻孔施工难题。

顶板疏水条件下矿压显现规律及防治对策

顶板疏水带来矿压显现,影响矿井安全生产。为降低顶板疏水对工作面回采的影响,在分析顶板疏水条件下矿压显现规律的基础上,提出了针对性的防治措施。防治措施主要包括:大直径钻孔卸压和加强巷道支护,通过改变煤岩变形系统控制量,提高矿压显现的临界应力;控制回采速度和顶板深孔预裂爆破,降低煤岩变形系统外部实际应力,降低矿压危险性。可以为顶板疏水引起的矿压显现防治提供一定的技术参考。

地表沉陷与上覆岩层移动规律数值研究

为保证地面建筑物以及地下资源开采的安全,对采空区引起的上覆岩层移断规律以及地表沉陷情况进行研究。以应城市一工程为研究对象,基于FLAC3D数值模型分析和理论模型分析,建立采空区沉陷模型。通过FLAC3D构建模型分析地表沉降情况和上覆岩层移动规律等,得到该区域地表最大沉降29.2cm、采空区顶板岩层移动变形量46.04cm,分析总结了采空区上覆岩层移动呈梯形向马鞍形转变规律,为地表沉陷预测提供依据,可为类似工程提供参考意义。

基于能量法的工作面端面冒顶机理及“支架-围岩”耦合关系试验研究

为研究综采工作面顶板稳定性及其影响因素,结合能量法和“顶板-支架-煤壁”系统模型,建立了端面顶板稳定性力学模型,利用分布式支架顶梁压力监测系统和数字图像监测技术,开展了端面冒顶相似模拟试验,分析了端面冒顶影响因素、顶板破坏形态和支架顶梁压力分布演化特征。研究表明:根据端面顶板稳定性力学模型,距煤壁1 m范围内直接顶稳定性系数小于0,该区域为端面冒顶高发区;距离煤壁越远,顶板垂直位移和水平位移也随之增大;提高支架工作阻力能有效减小顶板下沉量;顶板黏聚力和内摩擦角越大,顶板稳定性越好;相似模型试验中直接顶依次经历了端面冒落、顶板破断、顶板破碎等阶段,液压支架顶梁压力表现为中部>前部>后部;当顶板完整时,模型支架初撑力和支护阻力充足,“支架-围岩”耦合关系良好;当顶板破碎导致支架位态不佳时,模型支架降阻或偏载现象明显,容易造成顶板裂隙发育、端面冒顶、支架压架等事故,“支架-围岩”耦合关系恶化;利用数字图像监测技术获得了端面冒顶阶段直接顶最大剪应变集中于端面顶板附近。研究显示支架与围岩相互作用关系与端面顶板稳定性互相影响,维持良好的“支架-围岩”耦合关系有助于提高工作面顶板稳定性。

瞬变电磁法在某铁矿岩层富水性探测中的应用

矿井顶底板岩层富水性探测是矿井防治水工作中的重点。通过瞬变电磁技术,对某铁矿-230 m中段主运巷进行顶底板岩层富水性探测,根据瞬变电磁响应数据,对不同探测方向进行富水异常区分析,结合三维成像技术对富水区圈定。结果表明在-230 m富水异常区有两处,主要分布在横向距离0~40 m、80~110 m、140~190 m,纵向距离20~40 m范围的富水异常区以及顶板方向横向距离40 m至200 m,纵向距离80~100 m范围的富水异常区,这能够有效指导矿区防治水工作。

榆神矿区多层厚硬顶板强矿压显现及覆岩破断运动规律研究

针对榆神矿区多层厚硬顶板条件下工作面强矿压和邻空侧巷道变形严重问题,综合采用理论分析、数值计算和微震监测方法,分析了多关键层结构下顶板覆岩破断和邻空侧巷道围岩应力特征。研究结果表明:多层厚硬岩层条件下,顶板破断垂向位移和能量均呈现明显的“低、中、高”分区特征,中高位岩层破断明显滞后于低位岩层,这构成了工作面“大、小周期”的重要结构基础;本工作面开采时,相邻采空区破碎顶板大能量微震事件增多、破断强度较高,并可对邻空回风巷围岩形成强二次采动影响,这是邻空侧回风巷高应力、强变形的主要诱因。同时,高低位多关键层组合破断可导致“大周期”来压发生强度和风险上升,对关键层顶板破断运动规律进行控制是降低“大周期”强度和频率的有效途径之一。

临空巷道二氧化碳致裂切顶卸压技术应用研究

针对坚硬顶板临空巷道强矿压显现问题,以晋能控股煤业集团有限公司马脊梁煤矿为工程背景,运用理论分析、数值模拟方法进行了临空巷道二氧化碳致裂切顶卸压技术应用研究,并成功完成现场工业性试验。结果表明:二氧化碳致裂切顶卸压技术能够降低应力峰值,应力集中远离巷帮,缓解矿压显现现象,切顶高度和切顶角度对巷道围岩控制有显著影响,切顶高度越大卸压效果越好,但当切顶高度达到一定程度后,继续增加切顶高度对应力降低影响不甚明显;切顶角度大时煤柱内的应力显著降低,切顶角度小时更利于优化巷道附近应力环境;马脊梁煤矿5015巷应用二氧化碳致裂技术切顶卸压,顶底板移近量、两帮变形量、支承压力峰值较未切顶时分别降低22.6%、28.7%、21.8%,显著改善了巷道的应力环境,减小了围岩变形量,有助于解决强矿压显现问题。

火成岩顶板工作面开采覆岩运移特征分析

随着采深的增大,部分矿区或采区存在火成岩侵入现象,形成坚硬厚顶板,极大地增加了开采难度和危险性。针对某煤矿火成岩顶板工作面强矿压明显的问题,通过数值模拟的方法研究火成岩顶板工作面回采过程中顶板应力和破坏特征。结果表明:火成岩顶板由于承载力较大,在一定程度上起着关键层的作用,使得工作面初次来压步距较大,导致工作面初次来压时顶板应力集中系数达到1.71,且顶板塑性区急速扩展。工作面推进至一次见方,火成岩顶板达到极限跨距,接近储能极限,处于极限应力状态,火成岩顶板的破断导致弹性能瞬间释放是诱发冲击地压的重要原因。工作面推进至一次见方以后,由于火成岩顶板已经断裂,塑性区继续向上发育,断裂区域破坏形态以拉破坏为主。根据模拟确定合理的切顶爆破区域,实施切顶预裂爆破后,经过钻孔窥视,顶板内部产生了多条纵横相间的裂缝,纵向裂缝尤为明显,且未出现冲孔现象,卸压效果良好,且节约成本。

多层厚砂岩顶板综采面矿压显现机制及防控技术

多层厚砂岩层条件下工作面开采覆岩结构独特,矿压显现强烈,对煤矿的安全高效生产有很大影响。以俄霍布拉克煤矿11112综采工作面为研究对象,采用理论分析、现场研究及数据统计分析等方法,研究了工作面走向不同阶段覆岩赋存特点及应力分布特征,分析了厚层顶板破断能量聚散规律,阐明了厚层砂岩层条件下综采工作面矿压显现机制,提出了针对性的防治技术参数。研究结果表明:(1)工作面走向上覆岩特征呈现出“厚度小、层间距大和岩层分层明显(砂岩层互层)”和“厚度大、层间距小和岩性较稳定(无互层)”特点较明显的两个阶段;(2)工作面超前支承应力大小及范围受不同层位关键层影响不同,关键层一影响下的应力峰值位于工作面前方5~8 m,不同阶段应力增量分别为1.57 MPa、1.71 MPa及1.77 MPa,关键层三主要对其范围影响较大,不同阶段影响范围分别为72.5 m、86.8 m及126.7 m;(3)关键层一破断能量释放对工作面回采影响最大,第二阶段关键层一整体较完整,其破断传递给煤体的能量为2.11×10~4~2.27×10~4J;(4)根据煤体高应力和顶板破断能量释放两种矿压主要影响因素,制定了综合矿压治理方案。

坚硬顶板工作面水力压裂弱化技术应用

为降低坚硬顶板矿压显现强度,以宏翔煤矿1509工作面地质条件为背景,采用现场试验方法,对水力压裂弱化顶板技术进行了研究应用,结论如下:(1)设计了工作面切眼以及顺槽巷道水力压裂技术方案,切眼水力压裂钻孔深度分别为55 m、30 m、10 m;顺槽巷道顶板水力压裂钻孔深度为30 m、10 m;(2)对水力压裂弱化顶板效果进行了分析,根据工作面推进期间矿压显现结果,1509工作面初次来压步距为32.6 m,周期来压步距平均为15.46 m,来压时工作面支架动载系数平均为1.57,采取水力压预裂弱化顶板措施后,工作面矿压显现强度明显降低。

杭来湾煤矿30201综采面矿压显现及支架适应性分析

综采面顶板控制是矿井安全生产中面临的关键问题,有必要对综采面矿压显现规律和支架适应性开展研究,以保障综采面安全生产。通过对杭来湾煤矿30201工作面矿压显现规律进行现场观测和分析,发现工作面支架工作阻力整体表现为“中间大、两头小”的分布规律;上、中、下部支架平均工作阻力分别约为31.76 MPa、37.91 MPa和45.44 MPa,平均动载系数分别为1.228、1.413、1.291,支架安全阀平均开启次数分别为7.8、29.5、8.6;建立了工作面正常开采期间与周期来压期间支架-顶板力学模型,给出了相应的支架临界工作阻力计算方法,计算得到正常开采期间支架所需载荷为14700 kN,周期来压期间所需载荷为17050 kN。经验证,30201工作面ZY21000/36/75D号支架能够满足安全生产要求,研究成果可为后续矿井开采设计、顶板控制等提供借鉴。

薄煤层高精度透明地质模型构建与应用

陕煤黄陵矿业双龙煤矿智能工作面建设过程中,由于薄煤层开采作业空间有限,严重制约了智能化采煤装备的运行效率。为此,在综合分析地质条件的基础上,对工作面进行高精度透明地质模型构建工作,提高智能综采精细化程度。在综合地质勘探资料的基础上构建地层模型、断层模型,并结合巷道写实动态更新地质模型提高精度,保持回采前方50 m范围内地质模型顶底板精度在0.2 m左右,并结合截割工艺下发地质参数,为薄煤层智能精准开采提供了依据,减轻了井下工人的工作强度,从而提高了工作效率。

不同长度工作面矿压显现规律及支护强度分析

为了研究不同工作面长度对矿压显现规律的影响以及工作面长度变化时支架合理支护强度的变化规律,结合某矿实际地质条件,对不同工作面长度下的矿压显现进行分析计算。结果表明,当工作面长度一定,沿走向方向开挖距离超过450 m时,煤壁片帮和顶板下沉量处于平稳状态,不再受走向开挖距离的影响;以走向一次性开挖450 m计算,沿工作面长度方向,顶板下沉量中部最大,两端最小,呈拱形。随着工作面长度的增加,顶板下沉拱逐渐增大,工作面每增加30 m,顶板下沉量增加率为5%~8%。顶板下沉量能直接反映工作面顶板压力的大小,根据分析计算,工作面每增加30 m,支架合理支护强度应增加5%~8%。