采煤掘进路线过断层扰动因素研究

断层是煤矿开采过程中经常遇到的一种地质构造,会对煤矿采掘产生一定影响。为了实现煤矿安全开采,需要对断层扰动因素进行研究。分析了采煤掘进线路过断层引发的灾害,主要有突水、冲击地压、冒顶和瓦斯突出等,探讨了采掘对断层扰动的影响因素,主要包括巷道断面尺寸、采掘方式和支护方式等,为防治煤矿断层灾害提供参考。

深部开采中的强扰动特性探讨

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。

综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳>采空区覆岩破断运动>FZ14断层张剪失稳。

开采扰动区变尺度采空区覆岩介质动态损伤实验

尝试利用非均匀围岩介质动态损伤声发射(Acoustic Emission,AE)总事件、能率、时间、空间结构参数、变形与应力尺度演化过程,进行不同尺度开采推进形成的采空区围岩介质损伤统计与宏观动力失稳时-空关系对比分析,找出采空区动力失稳预警量化依据.

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈"O"形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D(D为隧道跨度)时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。

深井煤矿TBM掘进巷道围岩扰动特性监测研究

以张集煤矿TBM掘进采煤工作面高抽巷为研究对象,采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术(BOTDR),监测TBM掘进扰动下围岩的变形、扰动特性。通过在试验巷道前方和侧方施工监测钻孔,安装分布式传感光纤,使传感光纤与围岩变形协调。在TBM掘进过程中,通过监测和分析监测光纤的应变分布特征及其动态变化过程,获得了TBM掘进过程中对围岩的扰动特性。TBM掘进时对掌子面前方的岩石扰动影响范围为5~7 m。在围岩深度4~12 m范围内出现压应变,而在围岩深度12~18 m的范围内出现拉应变,巷道围岩未出现明显的大范围破坏。相较于传统的钻爆法施工,煤矿岩巷TBM法施工掘进效率更高,对围岩扰动更小。

煤矿重复扰动“采动-采空”地面井抽采技术及应用

为攻克煤矿开采重复扰动地层导致地面井变形破坏的技术难题,深入分析了重复扰动下地层的移动规律、地面井的变形破坏力学机理、失效方式与特征,发现地面井破坏的直接原因是发生了过量的位移变形,据此总结分析出地面井破坏失效的判识条件:①套管剪切位移量超过其管内直径;②套管的最小拉伸安全系数小于阈值“1”。在此认识基础上提出了“避、抗、让、疏、护”五大地面井防护技术理念,能够从井位选择、井身结构、钻完井工艺、安全防护装置等方面有效减少重复扰动地面井的破坏性位移量。应用技术成果在岳城煤矿设计5口地面井,实现了“采动-采空”地面井持续抽采,累计抽采标况纯瓦斯量约5240万m^(3),保障煤矿安全生产的同时提高了瓦斯抽采利用量。进一步分析地面井抽采数据发现,采动区地面井经过5 a持续运行后的抽采影响半径超过800 m。

河下开采扰动诱致采空区动态失稳定量预计与综合评价

水下开采扰动区内安全开采是个复杂的问题,地应力改变及采空区围岩介质断裂失稳为一个动态过程,具有明显的时间效应特征,其不仅直接受到动态破坏,还受后续开采扰动的累积响应。采用多种实验和分析方法,对开采引起的覆岩断裂破坏和地表移动规律进行定量化预计与综合评价,在维持西天河现状、现有开采方法和开拓方式的前提下,实现了L3414综采工作面河下控水采煤。

深井邻近巷道掘巷扰动影响下的稳定性分析

利用ABAQUS有限元软件,对淮南某深部矿井1112工作面新掘进的顺槽煤巷造成原有高抽巷的掘巷扰动影响进行数值模拟分析,分析了深部矿井两条巷道在不同间距下随着新巷道的掘进使原有巷道的应力和变形的最大值增加并且所在位置发生改变,探讨了新掘巷道对既有巷道稳定性造成的影响;研究了深井相邻巷道掘巷扰动效应对原有巷道应力应变的改变,结果表明:浅部巷道之间的合理间距在深部条件下不再适用,深部矿井邻近巷道之间掘巷扰动效果显著,既有巷道需要在已有支护结构的基础上增加新的支护措施以保证其正常使用。

急斜煤层群重复采动沿空软岩巷道变形破坏机理

急倾煤层沿空软岩巷道变形破坏机理复杂,多次采动影响下巷道维护难度大.利用现场调研实测、物理相似模拟实验和数值模拟分析,对赵家坝急斜煤层群重复采动沿空软岩巷道变形破坏机理进行了深入分析结果表明:赵矿急斜巷道变形破坏是十分复杂的时间、空间问题,即在初次采动阶段:非对称岩体结构及应力分布导致巷道变形失稳;二次扰动阶段:非对称原岩应力释放机理导致巷道变形失稳;三次、四次扰动阶段:拱脚效应与层间压剪变形失稳机理导致巷道变形失稳,为该类型巷道支护形式与参数的选择提供了科学依据.

隧道开挖对上覆煤层采空区地层的扰动分析

隧道近接上覆采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道开挖对上覆采空区地层的扰动规律,采用离散元颗粒流软件从细观角度分析了隧道开挖过程中上覆采空区地层应力变化特性,分析了采空区与隧道间距、采空区厚度及倾角对围岩应力的影响。结果表明:上覆采空区地层隧道开挖后围岩颗粒接触力链断开区域分布在隧道上方,开挖后洞周位移越大,颗粒接触力链断开区域也越大;间距越小,开采煤层越厚,颗粒接触力链断开区域越大;煤层倾角影响了松动区域位置。

井～井超高密度电阻率法确定黑牛洞深部矿体的走向研究——以四川九龙县黑牛洞铜矿为例

超高密度电阻率法具有操作方便,快捷、适用性强、数据采集量大等特点。在黑牛洞里五铜矿实施进一步找矿勘探时,由于矿区地层复杂,地表地形变化大,矿体的空间走向变化也较大。通过钻探揭露的深部矿体在断面图上的连接形态有些不合理,而采用超高密度电阻率法做井～井物探探测后,对矿体空间连接的确定,起到了很好的指导作用。

考虑开采扰动对传统矿压理论的修正

在深部开采卸荷作用下,采场围岩产生大量裂隙和损伤,直接顶岩层处在峰后阶段,液压支架的重复支撑使其完整性和稳定性都会产生明显降低。文中以埋深800m的邢东矿1126工作面为研究背景,对高水材料长壁充填开采工作面的直接顶岩层垮落步距进行了理论计算,修正了传统矿压理论,计算结果与现场监测实际情况吻合。

掘采叠加扰动下综放沿空巷道围岩高预应力强力支护技术研究

为解决王家岭煤矿综放沿空巷道顶板煤体破碎、岩体分布较多软弱夹层且易离层冒落,煤柱帮移近,顶板开裂,片帮,稳定性控制效果较差等问题,确保掘采全过程围岩的稳定性,采用包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法并基于支护参数选择原则,提出采用树脂加长锚固高预应力强力锚杆、锚索组合支护系统控制12301回风巷围岩的稳定性并通过工程实践与综合矿压监测验证与优化。研究结果表明:示范巷道成功实现高预应力强力支护,掘采全过程锚杆(索)受力基本保持稳定;整个巷道服务期间,虽然煤柱帮仍有较大量值的移近,但顶板稳定,起底量大大减小,巷道断面满足机尾超前架移动等需求,完全可保证安全生产;高预应力强力支护与矿方原有支护相比,技术经济效益明显。

深部采掘扰动区线性切顶防冲护巷技术

采掘扰动是诱发冲击地压灾害的重要因素,深部采掘扰动区域则受冲击与巷道变形的双重威胁,针对该技术难题,本文研究了线性密集切顶防冲护巷技术。基于关键层理论分析了倾斜煤层关键层倾向破断结构特点,表明关键块B的空间状态是控制正在开采的工作面与迎采巷道矿压显现的关键,给出了采掘扰动工况下的最佳关键块断裂线位置。基于COMSOL模拟研究了不同装药直径下的应力峰值分布规律,结果表明:爆破后应力以指数函数形式快速衰减,给出了不同装药直径下应力峰值分布的拟合公式;致裂半径与装药直径呈幂函数的正相关关系;以顶板岩石抗拉强度为指标值,确定了爆破孔直径对应的最优间距。现场设计实施了不同技术参数的切顶方案,结果表明,相比于传统的深孔爆破,线性密集切顶两钻孔之间能够形成贯通裂隙,从而控制关键层的破断方式,因此钻孔间距是影响防冲与护巷效果的关键参数。通过巷道围岩观测与微震监测,表明线性密集切顶技术能够有效减弱迎采巷道的围岩变形,同时降低正在开采的工作面矿压显现与冲击危险性,现场实践验证了理论与模拟结果,可为类似条件工程提供借鉴。

综采工作面回风顺槽顶帮支护技术应用

陕北榆神地区回采巷道多采用双巷掘进方式,导致需要保留的巷道将受到工作面重复开采扰动影响,造成巷道在二次回采扰动下围岩压力剧增,严重者发生片帮冒顶事故。针对杭来湾煤矿30110综采工作面回风顺槽超前段在二次回采扰动下巷道变形严重问题,采用“注浆-单体-超前液压支架-木垛”联合支护技术代替原来双排单体支柱支护方式对该巷道进行顶帮控制,并对联合支护效果进行评价。现场实践表明,联合支护提高了巷道整体稳定性,巷道两帮下沉量、顶板下沉量及支架载荷显著降低,保障了工作面安全生产。

急斜煤层高阶段综放开采扰动区内“固-液-气”耦合效应研究与应用

急倾斜煤层高阶段综放开采中有可能导致瓦斯积聚而形成新"爆炸源"。顶煤超前注水(或湮水)对开采扰动区(Excavation Disturbed Zone,EDZ)瓦斯等气体迁移规律的影响也许会对安全开采产生耦合效应。利用"固-液-气"模拟实验装置、数值模拟与现场监测,深入分析了急倾斜特厚煤层高阶段综放开采过程中"顶煤-水-瓦斯"三相介质运动演化、耦合作用及迁移规律。

玉溪煤矿地下硐室开挖对主斜井的扰动破坏影响

以玉溪煤矿深部斜井交叉巷道与硐室开挖工程为工程背景,以研究机电硐室开挖对主斜井的扰动破坏影响为目标,采用MidasGTXNX和三维有限差分程序(FLAC3D),构建与实际工程条件相匹配的数值计算模型,揭示了主斜井、机电硐室和机头硐室开挖前后主斜井围岩应力变形规律。研究结果表明主斜井围岩主要破坏区域出现在斜井与落平位置交叉点附近,主要受叠加拉应力破坏影响显著,易出现大面积底鼓和片帮,提出采用注浆补强和底板锚索协同支护方法,显著改善了主斜井围岩变形破坏,应用效果显著。

巷道开挖应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变及非共轴特性研究

为探究巷道开挖引起的主应力旋转路径演化规律及其诱发的岩体变形问题,以弱胶结软岩巷道为工程背景,建立弱胶结软岩巷道开挖扰动数值计算模型,研究巷道开挖诱发的围岩主应力大小和方向演化规律,确定开挖扰动旋转应力路径试验加载状态参数。开展弱胶结软岩空心扭剪试验,研究9种开挖扰动应力旋转路径下弱胶结软岩剪应力–应变–掘进距离空间曲线特征及(σ_(z)-σ_(θ))-2τ_(zθ)应力平面内的非共轴角变化规律。结果表明:随着巷道开挖,监测面位置巷道围岩底板、顶板和两帮的主应力大小和方向均发生显著变化,特别是在巷道2D范围内,发生了强烈的主应力方向旋转和应力量值突变。开挖扰动应力路径下巷道围岩剪应力–应变曲线呈现“V”,“Z”,“N”型发展形式。开挖扰动引起的主应力旋转造成了弱胶结软岩应变增量方向和应力方向的非共轴性,巷道底板、顶板和两帮扰动应力路径作用下,弱胶结软岩非共轴角最大值分别为52.8°,-22.3°和30.6°。研究成果将有助于揭示巷道开挖卸荷引起的主应力旋转路径下岩体非共轴塑性变形演化机制,提高地下工程设计水平以及灾害防治能力。

深井巷道掘进围岩演化特征模拟与扰动应力场分析

深井巷道围岩扰动应力场与开挖扰动区的形成密切相关。然而,受现场地质条件和监测技术制约,尚难以准确获得围岩扰动应力的演化过程。为此,首先通过原位监测得到深井巷道围岩开挖扰动区的演化特征;然后,基于监测结果利用反分析的方式构建能较为准确地模拟围岩开挖扰动区演化特征的数值模型;最后,通过这一模型分析了深井巷道掘进过程中围岩扰动应力场的演化特征。研究结果表明:当工作面未掘进至监测断面时,由于工作面前方岩体空间约束,测点应力值基本没有变化;当工作面掘进过监测断面后,巷道帮部、顶底板的主应力大小和方向均发生了变化;通过对比扰动应力场与原位监测得到的开挖扰动区的演化特征,发现两者的部分演化特征较为相似。