采空区坚硬顶板破断机理与灾变塌陷研究

以坚硬顶板下的房柱式和条带式采矿工程为背景,建立了表征采空区内矿柱支撑顶板的弹性基础板力学模型,研究顶板不同阶段的破断模式与突变失稳的力学过程.研究表明:当煤柱的有效承载面积逐渐减小到临界值时,非线性控制参数即可穿越分岔点集,顶板位移突跳产生极限点失稳,煤柱-顶板系统出现突然塌陷失稳.

大倾角坚硬顶板厚煤层矿压规律数值计算

为了研究大倾角坚硬顶板厚煤层矿压显现规律,应用RFPA数值计算软件对大倾角坚硬顶板厚煤层顶煤的运动规律、顶底板的跨落规律及变形位移情况进行了模拟。得到主要结论为:大倾角煤层沿倾斜方向采场上覆岩层的移动和变形破坏特征是不对称的;上覆岩层在法向载荷的作用下普遍产生挠曲变形,变形规律为采场中上部下沉量较大,采场下侧下沉量较小;直接顶初次跨落步距约30 m;老顶初次来压步距约60 m,周期来压步距18～22m。

采场矿压计算分析方法

在１９８４年坚硬顶板分析的基础上＾［１］，根据工作面顶板岩层断裂前后的力学特征，建立了“弹性板与铰接板结构“力学模型。由该力学模型导出了回采工作面板来压步距、来压强度和支架载荷计算的解析表达式，并对一些典型工程实例进行了验算，理论计算与现场实测结果基本吻合。这一研究成果为回采工作面支护方案设计、顶板来压步距和来压强度计算预测以及支架工作阻力确定等方面提供了一种新方法。

顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究

针对神东矿区布尔台煤矿42107工作面回采过程中频繁发生的强矿压显现问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对井下定向钻孔水压致裂顶板厚硬关键层控制工作面强矿压显现进行了研究。研究结果表明:4-2煤层顶板厚度约22 m的粉砂岩亚关键层2是影响工作面强矿压显现的主要因素;理论分析通过顶板弱化降低亚关键层2的强度,在一定程度上能够削弱工作面强矿压;通过减小亚关键层2破断块体竖向节理的摩擦角以模拟顶板致裂效果,亚关键层2弱化改性后,42107工作面两侧的区段煤柱以及实体煤壁上的支承压力峰值显著降低,减小幅度约18.3%;实际在42107工作面顶板布置了3个定向钻孔,由该工作面内11台液压支架在致裂前后的工作阻力曲线得出,来压期间支架最大工作阻力由22535 kN减小至19599 kN,周期来压步距则由致裂前的21.0 m减小为致裂后的16.9 m,表明定向钻孔水压致裂覆岩关键层能够较好地控制工作面强矿压显现。

特厚煤层坚硬顶板临空煤巷强矿压显现机理及控制技术

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放工作面在留设38~43 m区段煤柱条件下,临空煤巷超前支护段仍出现严重变形、伴有动力冲击等强矿压显现问题;采用理论分析、现场实测与数值模拟相结合的方法,研究得到了临空煤巷超前支护段强矿压显现的机理。结果表明:两采空区高支承压力相互叠加和煤岩体本身的蠕变效应共同作用是导致临空煤巷超前支护段强矿压显现的根本原因;工作面上覆K3亚关键层的破断将导致采空区四周形成高支承压力区,该支承压力影响范围110~150 m;提出面周比的概念,随面周比增大,支承压力峰值强度和峰值位置呈线性增大,而支承压力影响范围基本不变。提出并实施了特厚煤层坚硬顶板留窄煤柱护巷技术,在塔山煤矿8204工作面5204巷现场试验取得了良好的效果,保证了工作面的正常生产。

西部鄂尔多斯矿区强矿压显现及顶板运动规律

矿山压力显现研究对于围岩控制与动力灾害防治必不可少。为研究西部鄂尔多斯矿区矿压显现及顶板运动规律,基于红庆梁矿现场调研,分析了强矿压显现演化规律及其原因,建立了"软岩基本顶+砾岩关键层"的覆岩结构及相应的计算模型。基于采空区矸石压缩变形理论,确定了下部垮落岩体对砾岩层的支承荷载参数并推导了砾岩层破断步距表达式。研究结果表明:受上覆硬厚砾岩层运动影响,300~340 m推采范围为工作面强矿压显现区域,支架大面积泄液与煤壁大面积片帮为强矿压主要显现形式,最大片帮深度达1.5 m。采空区垮落岩体对砾岩层有一定的支承作用,影响砾岩层的弯曲下沉及其破断步距,在此条件下的砾岩层运动过程可分为3个阶段,分别为未触矸阶段、持续弯曲下沉阶段、砾岩层破断阶段。模型计算的砾岩层破断步距为306.9 m,现场验证为320m。上述研究可为相似地质条件下的超前支护设计和矿压显现控制提供参考。

孟村煤矿强冲击地压条件下巷道维护方案

陕西彬长矿区孟村煤矿是典型的深井强冲击地压影响矿井,为了彻底解决厚煤层巷道在强冲击地压影响下巷道变形难以控制的问题,统计了矿井冲击地压显现情况并分析显现规律,提出“远端爆破关键层,近端加固巷道围岩及支护强度”的“远攻近交”巷道维护方案。结合顺槽巷道加固和合理确定回采方向等防冲击方法,从而确保巷道具备更好的抗冲击能力,突破了深井强冲击地压对矿井的安全生产瓶颈。

“两硬”条件下回采巷道强矿压显现防治技术

针对"两硬"条件下工作面回风巷强矿压显现问题,采用现场实测及理论分析的方法,对强矿压显现发生机理进行了研究,并提出采用深孔断顶爆破和大直径卸压钻孔的防治方案,确定了爆破参数和卸压孔的布置参数。通过比较采取上述措施前后工作面回风巷的变形和微震活动的强烈程度对防治效果进行检验。结果表明,深孔断顶爆破和大直径卸压孔防治措施的实施,安全释放了回采巷道煤体中聚集的弹性能,成功地破坏了采空区坚硬顶板的完整性和煤柱体的储能条件,消除了工作面回风巷强矿压显现的危险性,保证了工作面安全高效回采。