无人工作面开采坚硬顶板冲击运动的3DEC数值模拟研究

分4个阶段模拟了无人工作面开采坚硬顶板采场顶板的运动规律.第1阶段,坚硬顶板的悬而不落是下一区段无煤柱开采的隐患.开采范围达到8 000 m2时的第2阶段,采场坚硬顶板的冲击性垮落,使工作面前方煤体及巷道既已形成的高应力区骤然释放.开采范围继续扩大的第3阶段和第4阶段,坚硬顶板从整体大范围冲击性运动向周期性分段运动转化.北京矿务局木城涧煤矿无人工作面坚硬顶板在采场面积约为8 000 m2的初次冲击性垮落,验证了3DEC理论研究结论,其强制放顶等防冲措施实施的最佳时机为第2阶段的开采活动结束之前.     

晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板变形与控制特性研究

晋城矿区15#煤直接顶K2石灰岩厚8～12 m,结构致密坚硬,为坚硬难垮落顶板。针对厚层石灰岩顶板可能面临的大面积断裂和垮落,从而导致冲击地压等问题,通过岩石力学性质试验获得相关岩层力学参数,并运用关键层理论、数值模拟和相似材料模型试验,研究了厚层脆韧性石灰岩顶板的变形与垮落特性,得到了顶板初次来压步距20～25 m和周期来压步距10～15 m及垮落规律,并提出了顶板控制的技术途径,即初期中深孔爆破结合顶板关键层缓慢下沉综合控制技术。实践表明,厚层石灰岩顶板的垮落形态和垮落步距与理论和试验研究结果基本一致。该项成果为晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板控制提供了有效途径。     

坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落,破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景,针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题,采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理,提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明:坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段,即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段,其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa,破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍,其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因,这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理,提出“广域大空间”超前区域防治技术,阐述了绿色、精准、广域的防治优势,以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性,当“长悬臂梁”结构弱化后,其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa,降幅32.4%,顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段,弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%~79.4%,表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构,显著降低来压强度。实践表明:压裂过程产生多次压降,降幅均达到3 MPa以上,探测裂缝发育长度达到30 m以上,压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%,支架来压载荷降幅18.1%,治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。      

坚硬顶板采场采空区岩层离层遥测研究

利用梁弯曲理论,根据岩层间变形不协调性关系,建立了坚硬顶板离层的判别条件,并指出了相应参数对顶板变形的相对影响程度。采用遥测技术监测坚硬顶板采场采空区岩层离层,结果表明,遥测系统可以有效采集到顶板岩层离层发育信息,通过监测曲线的分析,能够确定采空区顶板产生离层的位置,进而可预测出顶板垮落厚度。利用遥测系统采集到采空区顶板失稳前的离层信息,及时采取相应的措施,可保证坚硬顶板煤层安全开采。     

浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究

西部地区拥有储量最大的浅埋煤田,煤层顶板主要特点是基岩薄,地表为厚砂土层。浅埋煤层采动后,上覆岩层垮落运动将直接波及地表厚砂土层,引起采场强烈来压及地表塌陷等灾害。通过物理模拟试验,揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律,发现地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形岩柱”结构。通过建立厚砂土层“拱梁”结构数学模型,得出了“拱梁”内的应力分量,并给出了厚砂土层破裂的判据和出现拉裂缝的位置,为确定周期性“弧形岩柱”的有关参数提供了依据,为工作面顶板压力控制和地表塌陷的分析提供了基础。     

典型留巷顶板条件下巷旁充填体支护阻力分析

将工程实践中接触到的留巷顶板分为厚层直接顶、薄层直接顶和无直接顶3种类型,利用叠加连续层板模型,考虑巷帮煤体承载作用和导致顶板垮落诱因,得出了3种顶板条件下的巷旁支护阻力计算公式。研究表明,巷帮煤体、充填区域顶板承载性能的提高有助于降低巷旁充填体支护阻力。随直接顶厚度的减小,充填体支护阻力反而增大。基本顶层位不同,顶板垮落诱因不同。厚层直接顶时,顶板垮落为自重引起;薄层直接顶时,顶板垮落为基本顶上位岩层作用所致     

兖州煤田顶板构造特点及其稳定性

煤层顶板断裂构造是煤层顶板稳定性影响因素中最重要的因素,以兖州煤田鲍店煤矿为例,分析了兖州煤田顶板断裂构造特点,探讨其对煤层顶板稳定性影响,分析了小断裂对煤层顶板的稳定性影响,断裂密集区的煤层顶板最易垮落,特别是交错断裂区更易产生顶板垮落式冒顶.     

巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制

巷旁切顶打断了巷道与采场下位顶板的连续性,促进了采场顶板垮落形成碎石帮,深入研究切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制具有重要意义。对采场支架载荷进行了分析,并对上覆岩层建立了力学建模,明确了上覆岩层运动与典型位置采场支架载荷特征的关系。在此基础上,针对6个巷旁切顶的工作面,给出了典型位置支架的载荷数据,从而分析得到巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制。同时,建立了数值模型,分析了不同的切顶起始位置和下位顶板强度对下位岩层垮落特征的影响。结果表明,121工法的“垮落线”具有对称的弧形边界,110工法的“垮落线”在切顶侧向工作面充分移动,N00工法介于上述两者之间。此外,不同切顶起始位置和顶板强度条件下,切顶的作用效果存在差异。研究结果有利于进一步深化巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征影响的认识。     

煤层两种顶板处理方式下底板突水数值模拟研究

为了研究工作面回采过程中顶板垮落填充处理与未垮落填充处理对底板水害防治效果的差异性,在详细分析研究区地质资料、采掘情况及相关图件的基础上,建立了研究区工作面数值模拟计算模型,采取顶板垮落填充及未垮落填充两种工作面回采顶板处理方式,在模型底板布置相应的监测点,记录工作面回采过程中底板应力及位移的变化,据此探究了两种顶板处理方式下底板应力场及位移场的变化规律,同时从塑性区发育、垂直位移、垂直应力及最小主应力4方面对比分析了两种顶板处理方式对底板突水的"贡献"程度,为工作面回采过程中制定底板防治水措施提供合理依据。     

岩层组合劣化型冒顶机制研究

通过对162起锚杆支护煤巷冒顶事故实例分析研究,顶板岩层组合劣化是引起冒顶事故的主要原因,占事故总数的66 %。应用东北大学岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）,对不同组合的层状顶板的劣化过程进行了数值模拟研究。通过数值分析可知：岩层组合劣化与顶板岩层组合中软弱夹层位置变化、坚硬岩层厚度及高跨比变化有关;与直接顶板岩层组合中软岩层厚度变化有关。岩层组合劣化破坏的主要是拉破坏、剪切破坏及其共同作用的结果,在剪应力的作用下层状顶板发生整体跨落;在自重应力作用下顶板岩层发生弯曲破坏;剪应力和拉应力共同作用下层状顶板破坏形式为拱形冒落。     

深埋隧道软硬交替复合顶板岩体变形破坏分析

为了解隧道开挖后顶板岩层活动范围及其对隧道支护体的影响,对埋深为700 m的隧道多层状顶板岩体,采用两种方式对其顶板围岩破坏形式进行了数值模拟研究和理论分析。一种方式是将顶板112 m至地表的588 m范围内的岩层视为均布荷载,模拟计算隧道顶板112 m范围内岩层的应力、位移及塑性区范围;另一种对隧道至地表岩层进行全断面模拟。模拟计算分析表明,对于隧道顶板112 m范围内相应位置的压应力 、竖向位移 及剪应力 ,两种方式计算结果基本相同,说明在距隧道中心一定高度处的岩层出现离层现象;复合顶板中的两层及两层以上的硬岩层与其间的软岩层构成了若干个组合板结构,隧道支护体所受的载荷主要来源于第一个组合板以下的岩体,并将第一个组合板以下的高度定义为支护体关键荷载圈。由数值模拟分析和理论计算所得到的隧道支护体关键荷载圈高度均在75 m左右,相对误差不超过5 %。     

芦岭煤矿8煤层顶板特征研究

基于钻孔岩心资料,分析了芦岭煤矿8煤层顶板的岩性类型和顶板的结构类型,统计了顶板30m以内砂岩的厚度和8煤直接顶厚度。按照硬质岩石百分含量(K)的大小将顶板岩体岩性分为硬质岩体、中硬岩体和软质岩体三类;按照直接顶厚度/采高的比值(Km)将顶板的工程地质类型分为无周期来压顶板、周期来压顶板和周期来压强烈顶板三种类型,得出了8煤顶板类型分区。研究结果为该矿工作面布置方法、顶板支护方式的选择提供了依据,为顶板事故的预防提供了参考资料。     

上覆硬厚岩层破断运动及断顶控制

硬厚覆岩的破断与结构将发生显著的变化。针对汝箕沟煤矿二2煤层上覆厚层石英砂岩条件,采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法,研究了硬厚覆岩裂隙发育特征、破断运动、矿压显现特征及断顶控制技术,为硬厚覆岩工作面灾害防治提供了依据。研究表明,硬厚石英砂岩的微观结构致密完整,呈现大面积悬空、大步距破断运动,引起强烈的支架动载,甚至导致工作面风流逆转、沟通上部采空区隐形火区;硬厚岩层破断运移后产生明显的离层空间,并在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成覆岩主裂隙带,且发育高度大于经验计算数值,甚至与上方采空区沟通诱发灾害;实施开切眼深孔断顶爆破及降低工作面采高,有效缩短了硬厚岩层的初次破断步距,降低了支架动载及主裂隙带高度。     

A Study of Rock Burst Hazard Prevention Method

In order to determine the rock mechanics characteristics, a uniaxial compression experiment for the hard sandstone in the 6305 working face of Jining No.3 Coal Mine was designed. The experimental results show that the bending energy is weakly impacted and the bending energy index is 66 kJ. To crack into the hard roof to prevent roof formation of rock burst with the Polish hydraulic fracturing technology. According to on-site hydraulic fracturing test, hydraulic fracturing radius of 6305 working face can reach 5–15 m. Finally, there is a little vibration, and energy is mainly concentrated range from 1000 to 10,000 J from the characteristics of mine waveform and spectrum distribution through microseismic monitoring system during the fracturing process. It shows that some microseismic events induced by hard roof after hydraulic fracturing have achieved the purpose of slow relief of hard roof and prevent the occurrence of rock burst.     

深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析

针对深井沿空留巷充填体常向巷道空间发生移动,分析深井复合顶板条件下充填体水平位移特征,计算顶底板对充填体的摩擦力和基于弹性地基梁理论下的采空区冒落矸石对充填体的水平挤压力。基于淮南矿区顾桥矿1115（1）工作面轨道顺槽典型深井复合顶板条件下沿空留巷工程地质条件,建立充填体力学计算模型,得到深井复合顶板条件下沿空留巷充填体内移表达式。结果表明,（1）由于复合顶板裂隙发育,垮落后具有较好的流动性,在关键块旋转下沉过程中容易对充填体产生水平挤压力,且复合顶板能够较大程度吸收关键块旋转下沉施加的给定变形,底板不易插底,充填体更易发生内移;（2）理论计算充填体位移量为0.38 m,实测位移量为0.5 m,二者能够吻合,验证了研究成果的正确性。根据充填体内移特点,提出抗剪锚杆等措施增加充填体和顶底板摩擦因数和在靠近充填体的采空区侧设置隔离桩的控制技术。     

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。