综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术

工程实践表明,顶板事故在煤矿各类事故中占首要位置,已严重制约了我国现代化矿井安全高效开采。为了实现煤矿综采面坚硬顶板的安全治理,亟需形成综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术以有效解决因工作面大空间坚硬顶板垮落而影响安全生产的重大难题。基于此,通过自主创新和联合攻关,面向深部矿井坚硬顶板,开展了综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危技术研究;研发了高威力三级煤矿许用水胶炸药、填塞材料等技术与装备,形成了成熟的深孔爆破工艺,突破了厚硬顶板爆破中煤矿许用炸药威力与安全度的矛盾,解决了超深孔爆破中炸药可靠起爆等技术瓶颈问题;通过构建大空间采场覆岩-支架-围岩系统力学模型,揭示了采场大小周期来压及强矿压作用机理,提出了大空间采场厚硬覆岩多层位精准定位爆破弱化控制原理和基于爆破损伤的综采工作面厚硬顶板深孔爆破参数设计方法,形成了综采工作面厚硬顶板超前深孔卸压控制技术。研究成果在全国近百个综采面进行工程应用,未发生一起顶板事故,避免了综采面厚硬顶板发生压架、形成飓风、矿震等重大安全事故的风险,保障了综采面的安全高效生产,为综采面坚硬顶板远场解危的设计提供了理论依据并为现场施工提供了指导作用。

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。

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。

倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究

为解决回采巷道倾斜厚硬顶板应力集中问题,降低顶板覆岩突然垮落的冲击扰动风险及提高倾斜厚硬顶板切顶留巷围岩控制效果,以长城六矿1301N运输巷切顶留巷为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法开展倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究。首先,基于岩石碎胀系数、砌体梁理论及现场地质资料,推导计算了1301N运输巷切顶高度和切顶角度的理论最小值。其次,为进一步验证并优化理论推导结果,利用PFC^(2D)数值软件建立了1301N工作面切顶留巷模型,采用控制变量法分析了不同切顶高度和切顶角度下留巷顶板应力、位移及组构张量响应特征。分析结果表明:切顶高度与卸压效果之间存在底数大于1的对数增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果逐渐增强但其增长幅度逐渐减小;切顶角度与卸压效果之间存在“S”型增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果先增强后减弱。卸压参数与卸压效果之间的变化规律揭示了切顶高度选择存在最适值,切顶角度选择存在最优解。综合理论分析、经济收益及数值模拟结果,确定长城六矿1301N运输巷倾斜厚硬顶板切顶留巷过程中最适切顶高度为13 m,最优切顶角度为10°。现场监测获得该切顶参数下围岩控制效果较好,留巷围岩变形量较小,可有效满足下一工作面开采需求,验证了优化切顶参数的有效性,为类似地质条件切顶留巷参数的选取提供理论依据和实践参考。

梁北矿松软大采高工作面高水充填沿空留巷技术研究

以高水材料适应性研究为基础,通过分析梁北煤矿厚硬顶板大采高工作面沿空留巷围岩控制难点,提出“预裂切顶-高水充填-超前加固”沿空留巷技术。通过室内试验确定了高水充填材料最佳水灰比、早强剂掺量和用水温度;采用理论分析和工程类比确定了预裂切顶、超前加固和高水充填支护方案;采用数值模拟分析了沿空留巷方案的可行性。工程实践效果表明,围岩变形滞后工作面100~150 m趋于稳定,变形整体可控,留巷效果较好。

近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究

针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下,“大周期”来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题,采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段,对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究,结果表明:覆岩破断运动上,多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间”和“自下而上”的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“高低层位顶板组合破断”是“大周期”来压增强的关键诱因;同时,煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上,工作面“大周期”立柱下缩量平均可达945 mm,持续距离12.10 m,并可由2~5次连续强来压组成;巷道煤柱应力集中系数达到1.80~2.30,影响范围为工作面前方126 m至后方471.3 m,具有明显的“高强度、大范围、长上升期”特点。针对该条件下的强矿压防治,分别提出了“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,并取得的了较好的应用效果。

切顶沿空留巷卸压机理及支护技术研究

云驾岭矿9号煤上覆厚硬岩层,采场矿压显现强烈,采用传统的沿空留巷方法围岩控制难度大。以云驾岭矿19103工作面运巷为背景,分析了切顶沿空留巷厚硬直接顶力学平衡条件,得出巷旁需提供不小于1046 kN的支护阻力。采用数值模拟的方法对比了沿空留巷在厚硬直接顶条件下切顶与不切顶时围岩变形及应力、塑性区的分布规律,结果表明:切顶后采空区顶板更容易垮落,留巷顶板稳定时下沉量仅为同期不切顶时的28.2%,切顶后留巷侧顶板垂直应力变小、水平应力增大且围岩塑性区向顶底板深部转移,揭示了预裂切顶卸压的机理为阻断工作面动压的传递以及诱导采空区顶板提前冒落接顶承压,水平应力增大的原因为切缝两侧形成的长、短“悬臂梁”变形的结果。提出了针对厚硬直接顶切顶留巷的顶板控制理念为集中支护切缝端、适当让压和形成“组合悬臂梁”,采用了“长、短锚索+单体液压支柱+可缩性U钢梁”的综合支护技术及挂网喷浆的密闭措施。现场工业性试验效果良好,切顶后留巷顶板锚索受力峰值在350 kN左右,围岩稳定后巷道规格满足二次复用的条件。

深井直覆硬厚顶板侧向破断模式及采动应力响应特征研究

针对深井“三巷布置”工作面临空巷强烈矿压显现现象,以煤层直覆硬厚顶板为工程背景,运用理论分析、相似模拟、现场实测等研究手段,分析直覆硬厚顶板侧向破断模式,揭示临空巷强矿压显现机制,明晰工作面采动应力响应特征。研究结果表明:直覆硬厚顶板破断后,在工作面侧向形成长悬臂-铰接结构,破断线位于采空区内。直覆硬厚顶板岩性特征和几何特征决定着临空巷矿压显现程度,顶板越硬或者越厚,采空区煤体周围越容易产生较高的应力集中。直覆硬厚顶板下巷道围岩应力集中程度高,且临空侧超前支承压力影响范围更广,应力集中程度更高,巷道矿压显现更为剧烈;煤柱上侧向支承压力呈“同步受力、同步增长”变化特征,进入采空区稳定阶段后支承压力表现L+W型应力特征,相邻待采工作面煤柱侧出现非对称的应力峰值,煤柱中部出现应力双峰。受侧向高应力影响,下一区段巷道围岩主要表现为两帮中下部剧烈变形。基于工作面直覆硬厚顶板侧向破断特征和强动载矿压显现机制,提出了顶板灾害超前治理、“浅部强力支护+深部多层次卸压”的防控技术体系,为采场岩层控制提供有益指导。

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。

地面深孔水压爆破弱化厚硬顶板技术研究

浅埋深、厚硬顶板、特厚煤层开采时,为避免初次来压时顶板大面积垮落在巨大体积采空区形成强冲击波事故,提出地面深孔水压预裂爆破弱化厚硬顶板技术。采用理论分析和数值模拟方法验证了水压爆破的可行性、确定了合理的炮孔间距,并在口前煤业4302综放工作面成功进行了工业性试验。数值模拟结果显示,相同装药情况下,水耦合装药爆破岩石孔壁最大等效应力是空气不耦合装药的1.45倍,且爆生裂隙区范围扩大了38%。在炮孔直径180 mm、装药直径120 mm情况下,水压爆破岩石裂隙区直径能够达到11.06 m;现场试验成功解决了装药及堵塞等技术难题,实现了工作面初次来压提前,工作面继续推进时上覆岩层实现了正常周期性破断,验证了地面深孔水压爆破的可行性。

深部采煤深孔爆破技术防控强矿震机制研究

中国华东、东北、华北大部分煤矿已进入600 m以下深度开采,矿震等动力灾害屡有发生,严重制约了煤矿安全、绿色、高效生产。针对中国深部煤矿厚硬顶板下开采矿震频发问题,以东滩煤矿为例,采用现场监测、理论分析和数值模拟等方法,详细阐述了深孔爆破顶板卸压前后强矿震空间分布特征,研究了深孔爆破技术预裂顶板机制、对采动中覆岩活动影响及防控矿震的效果。研究发现深孔爆破技术可有效弱化或断裂上覆厚硬岩层,释放上覆岩层积聚的应变能,减少大能量矿震的风险。基于爆炸荷载作用下岩石破坏区理论分析计算出了深孔爆破岩石破碎区、裂隙区和有效破坏范围,并结合工作面支架阻力监测,发现深孔爆破技术可主动调控矿山压力,避免了强矿压显现。建立了含四次深孔爆破的煤层开采全过程数值模型,分析了深孔爆破前后覆岩应力及位移演化特征,揭示了深孔爆破对采动中覆岩活动影响机制。深孔爆破断顶卸压技术能够有效弱化煤层顶板、降低顶板来压强度、增大覆岩的碎胀系数,能够用于防控深部采煤强矿震的发生。

新街矿区厚硬顶板条件邻空巷道冲击地压机理与控制

【目的和方法】针对厚硬顶板条件下深部矿井回采巷道冲击地压严重威胁工作面安全生产的问题,以内蒙古新街矿区典型深采矿井3-1103工作面辅运巷为工程研究背景,分析邻空巷道冲击地压频发区域外在主控因素和内在驱动力源;构建基于软化地基与弹性地基假定“岩梁-地基”系统力学特性的顶板断裂前受载力学模型,解析采场覆岩结构演化过程厚硬顶板岩梁能量演化规律及其主控因素;运用FLAC3D模拟并探查邻空巷道冲击失稳高风险区域位置与特征;研究采场覆岩结构优化与围岩应力能量控制方案,制定厚硬顶板破断诱发邻空巷道冲击地压控制方法。【结果和结论】结果表明:(1)邻空巷道冲击地压频发区域易发生以高静载或高静载叠加动载为主导灾变力源的失稳破坏,影响因素主要为顶板厚硬岩层、邻近采空区、区段煤柱。(2)顶板储能总量与覆岩载荷、软化地基系数、顶板岩梁弹性模量及惯性矩、采空区顶板极限跨距、工作面支架参数等有关。其中,覆岩载荷、软化地基系数和采空区顶板极限跨距与岩梁应变能密度呈正相关,顶板岩梁弹性模量及惯性矩、工作面支护参数与岩梁应变能密度呈负相关。(3)回采期间3-1103工作面超前支承压力区及其影响区域内区段煤柱和回采巷道煤体呈现多因素叠加影响,发生应力集中和能量积聚,是冲击失稳高风险区域;该区域较3-1101综采面其围岩应力与能量集中度进一步加剧增大。其中,工作面前方应力和应变能密度峰值增幅最大分别为6.61%、12.04%,区段煤柱应力和应变能密度峰值增幅最大分别为29.06%、65.14%。(4)提出了“卸压爆破预处理高静载区域+深孔爆破或水力致裂预裂厚硬顶板+强化巷道吸能防冲支护”的解决方案,现场应用效果明显。

厚硬顶板地面水力致裂防治冲击地压技术研究

针对深部煤矿仅采用局部卸压措施难以有效消除顶板型冲击地压难题,分析了厚硬顶板动静载荷叠加诱冲原理,提出了地面水力压裂改造顶板力源结构防治冲击地压技术,在此基础上,结合文家坡矿4107工作面开采及地质条件,进行地面水力压裂厚硬顶板试验,现场试验结果表明:厚硬顶板悬而不垮提供静载荷基础,突然破断提供动载荷增量,动静载荷叠加突破临界载荷诱发冲击启动;采取地面水力压裂致裂厚硬顶板,地层在压裂液压力的作用下能够大范围破裂,地面压裂缝长301~332 m,缝高50~58 m,缝宽50~60 m;通过人造解放层,降低厚硬顶板的强度和完整性,长梁变短梁,大块变小块。可见,地面水力压裂技术致裂顶板,降低了巷道围岩应力集中程度,保障了工作面顺利回采。

综采工作面顶板定向水力压裂技术应用

为解决主采煤层存在巨厚坚硬顶板,造成初次来压期间矿压显现严重,工作面局部支架压死的难题,对3104工作面地质条件进行分析,对目标层位实施定向水力压裂措施,并对初次来压期间工作面矿压显现、支架工作阻力变化情况进行观测、分析和对比,确定其初次来压步距。观测结果表明:在开展顶板定向水力压裂措施后,3104工作面基本顶初次来压步距30.8 m,相比原始状态顶板,减少54.9%。实践证明:对于上覆厚层坚硬顶板,通过定向水力压裂措施对顶板进行压裂是有效可行的工作面初次放顶技术。

厚硬顶板结构下巷旁超前卸压与高强支护技术研究

白庄煤矿9701工作面采用沿空留巷开采技术,其工作面顶板厚度及硬度大,巷旁支承压力高,巷旁围岩支护控制及整体留巷难度系数大。为此,设计采用“水力压裂超前断顶+钢管混凝土墩柱巷旁高强支护”组合技术方案,对上覆厚硬顶板结构进行综合控制。通过水力压裂超前断顶技术对巷旁厚硬顶板进行充分采前断顶卸压,形成巷旁短悬臂梁结构,有效缓解巷旁支护体所承受的压力。通过钢管混凝土墩柱作为主要巷旁支护体对沿空留巷的围岩进行高强支撑。经工程效果分析,该技术方案取得了良好的控顶效果,最大顶板下沉量为55 mm,巷道整体成型效果良好。研究成果可以对同类矿井开采提供安全指导。

近距离煤层厚硬顶板综放开采强矿压显现规律研究

针对厚硬顶板大采高综放工作面回采过程中强矿压的现象,以神东矿区某矿井近距离煤层厚硬顶板综放工作面为背景,通过现场实测和室内试验等方式,研究工作面矿压显现规律及覆岩破断特征。研究表明:(1)42105综放工作面老顶初次来压步距大,来压强度高,远超工作面支架额定工作阻力,工作面呈现出中部来压集中、强度高且较为频繁的特征;(2)近距离厚硬顶板下回采工作面时,重复采动下工作面覆岩破坏高度更大,尤其是上位关键层破断后带动下位关键层同时破断,并带动其控制的上覆岩层及上方采空区同步下沉,岩层载荷逐层向下传导至工作面,上下位关键层破断的协同作用,从而造成了工作面来压强烈。

厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险,研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征,分析了冲击显现机制,提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明,上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征,当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时,工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈,工作面回风巷围岩也存在动静载集中,且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高;仅受“刀身”作用时,工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合,动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征,W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征,优化设计了冲击地压防治措施,增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中;优化措施实施后,工作面微震事件日均能量总体下降54%,大能量事件大幅减少,冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

松河煤业120306工作面坚硬顶板弱化技术研究

松河煤业3号煤层上方存在均厚12.8 m的粉砂岩,不仅厚度大而且完整性较好,在工作面回采后容易形成大面积悬顶,严重影响现场的安全生产。针对这一问题,本文采用理论分析、数值模拟等方法,提出采用深孔预裂爆破的方式对顶板岩层进行弱化。共设计两种预裂爆破孔,其中预裂爆破孔A与竖直方向夹角为20°,孔深14 m,预裂爆破孔B与竖直方向夹角为60°,孔深26 m,炮孔间距为2 m。在松河煤业120306工作面进行现场试验,对顶板岩层进行深孔预裂爆破后,工作面周期拉压步距为18.5 m,采空区顶板岩层垮落效果良好,保证了工作面安全开采。

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。

浅埋厚硬顶板煤层巷道围岩支护参数优化

为保证煤炭安全高效绿色开采,避免优质顶板条件下巷道的过度支护问题,以山西某煤矿为研究对象,采用理论分析、实验室试验、数值模拟同工程实践相结合的方法,分析获得了浅埋煤层厚硬顶板围岩力学参数及岩体特征,基于自然平衡拱理论重新设计了4种15#煤层一采区辅运巷道支护方案,并利用有限元数值模拟软件对原方案与其他支护方案在采动影响下巷道围岩变形量、应力分布规律、塑性区发育范围进行了对比分析。研究结果表明:使用优化方案后,围岩应力积聚处于可控范围内,顶板最大下沉量65.19 mm,底鼓量30.39 mm,帮鼓量174.59 mm,每百米节省锚杆(索)量23.08%,巷道掘进速度显著提高。