向斜构造区厚硬顶板巷道冲击破坏机理研究

针对向斜构造区厚硬顶板巷道围岩冲击变形破坏严重等问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,研究了向斜构造区厚硬顶板巷道冲击破坏机理,提出了巷道围岩卸支协同防冲控制措施,有效提升了巷道围岩稳定性。研究表明,向斜构造区厚硬顶板存在压应力集中区,形成矿井冲击震源层;向斜轴部巷道3~6 m范围内存在23.95~41.16 MPa的高静载应力集中带,静动载应力叠加巷道冲击破坏严重;向斜轴部巷道帮部围岩浅表裂隙发育,锚杆锚固性能差,顶板锚索动载抗冲性能差,冲击作用下易产生一定损伤;采用全断面卸压与深锚补强加固协同防冲控制技术,切断了巷道围岩应力以及动载应力波传递路径,提升了巷道围岩锚固抗冲性能,巷道围岩变形量降低63.57%~65.90%,大能量微震事件减少,小能量微震事件增加,巷道围岩稳定性增强。

坚硬厚顶板岩层定向长钻孔水力压裂防冲技术及应用

随着陕蒙地区煤炭资源的大量开发,冲击地压逐渐成为影响煤矿安全生产的重要问题,针对冲击地压煤层硬厚顶板卸压防冲难题,以某矿23301工作面为工程背景,采用ABAQUS数值模拟软件对定向长钻孔水力压裂工艺进行模拟研究。模拟结果表明:裂缝主要朝射孔方向拓展,在压裂层周围产生密集缝网且随拓展半径的增大有生成单一主裂缝的趋势,证明了压裂作业能有效实现顶板卸压目的。于该矿23301工作面进行了定向长钻孔分段压裂防冲应用,依据关键层理论确定目标层位并设计了顶板高-低位布孔方案,聚焦于2-1孔结果探讨了压裂效果。应用结果表明:裂缝以水平缝为主且缝网形态复杂的特点,压裂期间注液压力曲线在裂缝拓展区间呈锯齿状波动且拓展充分持续,压裂作业显著降低回采期间的巷道变形量,实现了工作面的安全高效回采。

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。

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。

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。

硬厚顶板破断结构演化及冲击危险区分析

针对硬厚顶板破断及结构演化对工作面冲击显现的影响,以东滩煤矿63上05工作面硬厚顶板条件为背景,运用理论分析和数值模拟分析了硬厚顶板破断失稳的临界条件及其结构演化过程,并划分工作面冲击危险区域。结果表明:顶板厚度和强度与块体破断时端部垂直载荷成正比,直接顶与基本顶的结构形态由“V”形演化成“U”形;顶板初次和周期跨落步距相较于常规情况明显增大,且基本顶结构演化较直接顶具有迟滞性;顶板垂直应力以应力拱形式演化,开采过程中在采空区中形成多处应力集中。基于研究结果,划分63上05工作面冲击危险区域并利用微震监测技术验证准确性。

地面压裂弱化厚硬顶板防治冲击地压技术研究及应用

针对高位厚硬顶板诱发冲击地压的问题,常规卸压手段难以达到区域卸压防治冲击地压的目的,提出地面区域预裂顶板防治冲击地压的方法,分析地面预裂顶板卸压防冲的原理,设计孟村煤矿401102工作面地面压裂防冲方案。现场试验在地面安设地面微震,在井下安设井下微震、地音、应力等监测系统,构建“裂隙场—震动场—应力场”等多场多参量联合监测体系。试验结果表明,地面压裂可有效促进压裂区域高应力集中区能量的释放,对目标岩层弱化改造效果较好。

厚硬顶板煤层二次采动巷道围岩破坏机理与控制研究

针对综采工作面因顶板悬顶和二次采动应力叠加导致的巷道变形严重问题,以察哈素煤矿31317工作面回风巷变形破坏及稳定性控制为背景,利用数值模拟的方法对厚硬顶板煤层在二次采动应力下围岩破坏特征进行研究。揭示了厚硬顶板二次采动下煤巷围岩变形及破坏机理,并结合现场实际,给出了相应的围岩控制方案。研究结果表明:硬厚顶板二次采动下巷道围岩破坏体现出非对称性,不同的支承压力分区,采空区侧巷道变形和塑性区分布规律具有不同的特征;煤壁侧巷道围岩变形量随着超前距离的增加而逐渐减小;工作面位置处于不同支承压力分区时,其最大顶板下沉量依次是支承压力稳定区>支承压力降低区>支承压力升高区。根据此结果,认为硬厚顶板二次采动下巷道围岩变形及破坏特征主要是由于顶板侧向支承压力有差别,巷道顶帮和两帮围岩应力状态不均衡所产生,最终造成了超前部分巷道顶板的下沉,从而影响安全生产。根据上述结论,提出了超前支护、钻孔卸压、锚杆(索)支护以及注浆改性的“四元一体”围岩控制方案。

磨砂射流轴向切顶技术工业试验及防冲效果分析

为实现厚顶顶板预卸压工程的安全、高效和经济性,开展了磨砂射流轴向切顶技术的工业试验,确定了该技术的主要技术参数,并通过分析钻孔窥视、观测压裂过程中相邻钻孔出水情况、统计压裂前后疏水孔的出水速度、微震监测和支架阻力等变化规律对压裂和防冲效果进行检验。研究结果表明,完成了割缝长度300 mm,深度250 mm,压裂半径10 m的工业试验,确定了割缝压力、作用时间、用砂量、压裂压力和压裂作用时间等主要技术参数。分析钻孔窥视、观测压裂过程中相邻钻孔出水情况和统计压裂前后疏水孔的出水速度变化情况,表明割缝和压裂效果良好。采用磨砂射流轴向切顶技术后,微震事件总能量、总频次和大能量微震事件、来压强度和来压步距明显降低或减少。现场结果表明,该技术可以提高厚硬顶板预卸压效果,防冲效果良好。

特厚煤层坚硬顶板井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术

为进一步解决坚硬难垮顶板导致的冲击风险升高问题,以文家坡矿为例,提出了一种井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术,并在4106工作面开展了试验研究,结果表明:提前对厚硬顶板进行卸压处理,岩层强度和完整性大大降低,有利于根本上消除冲击地压对安全生产的严重威胁。压裂期间泵压-时间曲线呈现锯齿状,定向深孔水力压裂能够使得裂缝起裂与扩展,实现顶板有效致裂。在水力压裂作用下,工作面微震活动平稳变化,高级别能量微震事件频次占比显著降低,未超过冲击危险预警临界指标,工作面顶板活动性及微震能量释放保持在较稳定状态,围岩积聚能量能够有序释放,冲击风险显著降低。

坚硬顶板特厚煤层开采矿压显现规律及控制技术研究

针对坚硬顶板特厚煤层开采过程中,临空巷道围岩变形矿压现象剧烈,巷道围岩变形程度较大,支护结构损坏严重现象。以岳南煤矿为工程背景,分析了坚硬顶板特厚煤层采矿临空巷道围岩变形破坏特征及规律。建立FLAC^(3D)数值计算模型,探究了坚硬顶板特厚煤层开采时覆岩应力时空演化规律,揭示了坚硬顶板特厚煤层覆岩力学作用机制。提出了覆岩切顶卸压控制方法,进行了工业性试验。试验结果显示:切顶卸压技术改变超前工作面临空巷道围岩应力环境,有效的切断了侧向覆岩活化的应力传递路径,降低工作面开采超前强采动影响,巷道围压变形得到了有效控制,顶底板最大移近速率由311 mm/d减小至64 mm/d,变形量大幅度降低,有利于矿井安全高效生产。

工作面厚硬顶板力学变形研究

实际生产中,有些矿区覆岩中经常存在两层以上相邻的坚硬顶板岩层。当靠近煤层的二层或多层硬岩层间产生复合效应时,影响覆岩采动特征的老顶将不止一层。为研究清楚复合顶板的变形,有必要研究两层以上坚硬复合岩层的力学特性。基于板理论基础,研究了两层及以上的坚硬层叠岩板的力学特性,建立了坚硬层叠岩板的力学模型并对其进行了分析,给出了最大挠度的计算公式及岩板在覆岩层载荷作用下的变形公式,以及在竖向压力作用下坚硬层叠岩板的位移计算方程、方法,最后给出坚硬层叠岩板的弯曲下沉计算实例。该研究成果为垮落带注充控制岩层及地表移动提供了理论依据。

宽沟煤矿坚硬厚层顶板下冲击地压危险时期的微震特征及解危措施

针对某矿坚硬厚层顶板条件下采煤工作面发生的冲击地压灾害,分析了灾害发生的原因并提出了防治原则。采用数值模拟和物探方法确定了工作面在3面采空条件下的冲击地压危险时期和危险区域。冲击地压危险时期的微震监测结果表明:围岩破坏高度比非危险时期显著增大,围岩震动呈现出高能量和低频次的特征,工作面推进度宜控制在3.2 m/d以内。在冲击地压危险时期采取了工作面架间切顶爆破的措施,经电磁辐射和微震监测检验,有效降低了工作面前方煤体应力,取得了较好的解危效果,保证了工作面在冲击地压危险时期的安全。

一起工作面冲击地压事故的诱发因素分析

针对某矿综采工作面发生的一起冲击地压事故,主要从地质因素和开采工艺分析了诱发冲击地压事故的原因。分析结果表明,煤层自身具有的强冲击倾向性是冲击地压发生的内因,坚硬厚层顶板形成了冲击地压的力源,采煤机进刀后支架支护不及时导致顶板压力转移到工作面煤壁,工作面支架选型不合理使工作面留底煤形成了能量释放出口,工作面夹矸造成工作面局部煤体应力集中,加剧了冲击地压危险。

厚硬顶板条件下综采面液压支架工作状态分析

收集分析了桑树坪煤矿3105综采面矿压监测资料,计算了液压支架的初撑力、工作阻力和循环末阻力等分布特征值,发现该工作面支架受力各特征值偏小;进一步分析工作面的地质资料得知,距煤层顶板10m处的位置存在21m厚的石英砂岩,该岩层属厚硬岩层;建立了支架-围岩相互作用模型,进一步探讨支架工作状态与厚硬顶板之间的关系。结果表明:正常回采时,由于厚石英砂岩抗弯曲能力强,基本顶下沉不明显,认为支架只承载直接顶的载荷;周期来压时,由于基本顶厚硬和采空区充填充分,基本顶给定变形量小,致使工作面来压强度小。研究结果对同类条件下的液压支架设计和综采面矿压管理具有指导意义。

厚硬基本顶切顶卸压成巷及围岩控制技术

预裂切顶是无煤柱自成巷技术的关键,其效果直接关系到留巷的稳定性,而厚硬基本顶条件下切顶留巷的矿压现象、覆岩运移规律及控制技术又有其特殊性。以某矿切顶留巷为工程背景,综合运用UDEC数值模拟、物理相似模拟、理论分析计算及现场工业化试验等方法系统开展厚硬基本顶情况下切顶卸压成巷及围岩控制技术研究。首先,利用UDEC数值模拟软件,对比分析不同切顶高度下留巷围岩应力及位移分布规律,结果表明:切顶高度为7 m时,采空侧顶板无法沿切顶线断裂,导致留巷顶板出现下沉离层现象;切顶高度为9 m时,基本顶沿切缝线垮落,煤壁上方基本顶内应力由25~30 MPa降至20~25 MPa;再增加切顶高度对应力分布影响甚微。其次,通过物理相似模拟实验,对比分析不同切顶高度下留巷覆岩运移及矿压变化规律,结果表明:切顶高度为7 m时,基本顶断裂线位于实体煤帮侧,巷道围岩将受到断裂岩块的挤压破坏作用,从而导致巷道顶板破碎、离层、倾斜,甚至直接顶与基本顶大面积垮塌;切顶高度为9 m时,基本顶沿切缝线断裂,采空区顶板垮落时不会对巷道围岩产生挤压影响,卸压效果明显;随着切顶高度增加,切顶高度达到12 m时,基本顶沿着切缝线断裂,但是卸压幅度变化不大。再次,通过理论分析计算,确定现场工业化试验所需的预裂切缝关键参数。现场试验表明:对于厚硬顶板,孔底装药量对爆破效果影响十分显著,装药量在1.0 kg/m时可以克服孔底阻力,达到良好预裂效果;切顶高度为7 m时,巷道试验段中的单体柱出现上部被压弯变形,下部陷入底板的现象,巷道顶板向采空区侧倾斜,切缝侧顶板下沉量为450~500 mm;切顶高度为9和12 m时,巷道试验段中切缝侧顶板下沉量小,且未发现支柱损坏等现象,切顶效果良好。最后,基于上述研究,兼顾现场地质生产条件及技术经济综合考量,确定优选切顶卸压具体技术方案,针对性地提出集“高强切顶锚索补强支护、爆破预裂卸压、单体柱强支撑、插底插顶防失稳可缩U型钢+金属网挡矸”于一体的留巷强支护系统,经现场监测,切缝侧顶板、实体煤帮最终变形量分别为186,119 mm,保证了下个工作面回采时安全使用。

深部厚坚硬顶板诱发冲击地压原因的探讨

本文选择了新汉华丰矿4号和大屯姚桥矿7号煤层为研究对象，得出了该条件下发生冲击地压的主要原因：一方面因为深部上覆岩层自重应力的叠加；另一方面由于区段煤柱及回采产生的比一般顶板条件下较大的支承压力；以及坚硬顶板断裂失稳产生巨大瞬间冲击力，上述诸应力耦合叠加和作用而诱发产生冲击地压。

基于TRIZ理论的厚硬顶板巷道围岩卸压技术及应用

针对厚硬顶板极难破碎垮落,形成的长悬臂梁挤压巷道造成围岩变形破坏的难题,以曹家滩煤矿典型工作面为工程背景开展研究。利用TRIZ理论进行了系统分析,通过因果关系法确定了造成巷道围岩变形的原因,并采用空间分离原理分离采空区顶板与巷道顶板,结合预先作用法“软”化采空区顶板,以达到厚硬顶板及时垮落充填的目的。基于TRIZ理论的思想,提出了一种“定向聚能爆破+非定向加强爆破”组合爆破技术。通过理论分析确定了组合爆破关键参数,并采用数值模拟进行了分析验证。在此基础上,进行了组合爆破方案设计。最后,开展了现场工程试验。现场应用效果表明:采用组合爆破技术后,巷道围岩变形破坏问题得到有效解决。

坚硬顶板厚煤层分层开采诱冲机理实验研究

针对坚硬顶板厚煤层下分层综放开采冲击频发的现象,设计了厚煤层分层开采相似模型实验,研究了分层开采条件下上覆岩层的运移规律和底板岩层的应力特征。应力监测表明,顶分层开采时煤岩应力变化较平稳,而下分层开采时应力波动十分剧烈,当载荷超过煤体极限载荷时,就可能会发生冲击地压。