煤炭条带式充填开采采场覆岩运动演化规律

充填开采是一项方兴未艾的煤炭开采技术,它可有效控制采场覆岩运动而减轻开采衍生灾害。为了探究技术和经济可行的充填开采技术,利用数值方法计算分析了多工况下的条带式充填开采采场覆岩运动规律。结果表明,条带式充填开采可有效控制岩层移动和应力分布,形成稳定且半径较小的应力拱,使冒落带发育高度缩小,有效减轻岩层破坏程度,限制开采扰动对覆岩的影响范围。另外,充填条带间距是控制充填效果的重要影响因素。根据文中设置的开采和充填条件,充填条带宽度和间距约为1:1时,充填开采可实现技术上可行且经济的效果。     

采场支承压力分布规律的数值模拟研究

采用FLAC-3D软件模拟了在煤层开采过程中采场支承压力的动态变化、依据数值模拟结果,拟合了支承压力集中系数与工作面推进距离的关系曲线。通过对比分析模拟结果,得出了工作面推进距离和长度及煤层的厚度和埋藏深度对支承压力集中系数和支承压力峰值点距工作面距离的影响程度,进而总结出采场支承压力分布规律,这些规律可为采场巷道维护、防治煤与瓦斯突出和顶煤可放性评价提供依据。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。     

断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响

通过对现场观测和数值模拟分析,系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响。研究结果表明,回采工作面顶板断裂结构面有3种典型组合类型,即“正三角形”结构、“川字形”结构和“倒三角形”结构。在工作面开采过程中,“正三角形”结构顶板稳定性差;“倒三角形”结构顶板稳定性好;而“川字形”结构顶板能形成结构平衡且稳定。由于断层使介质不连续,导致初始应力场挠动,局部产生附加应力,在断层带附近形成低压力区和高应力集中区带,比较明显的影响范围距断层面大约10~30 m。当工作面推进到高应力集中区带时,工作面前方煤(岩)体中支承压力明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,易于发生冒顶事故和其他矿井动力地质现象;当工作面推进到低应力区带时,压力峰值降低,顶板稳定性差。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用BOFDA分布式光纤技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm（长×宽×高）的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层“两带”变形提供了理论依据与试验保障。     

考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析

应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程,再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。数值计算中,引入了冒落岩体的碎胀效应,使得计算结果更合理地反映了现场实际,主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式,随着工作面的不断推进,上覆岩层可呈现出周期性的运动特征;裂隙拱发展到一定高度后,工作面垂直方向上不再扩展,只在工作面推进方向向前扩展,此时裂隙拱拱顶为一近似水平线,冒落带、裂隙带和下沉带3带分明;覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。     

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。     

杨伙盘煤矿烧变岩及其对工作面布设的影响

论述杨伙盘煤矿的地质特征、上部2-2、3-1可采煤层的烧变岩分布范围及可采煤层厚度、结构等,分析煤层的自燃特征及其对工作面布设的影响,认为采用钻探的方法控制煤层自燃的范围,工作面尽多并且实现出煤,可避免盲目掘进造成经济损失和烧变岩含水层对矿井安全的影响。     

陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比

多煤层开采条件下煤层覆岩破坏具有独特的特征,影响矿井生产布置。以陕北某矿为例,以该矿地质采矿条件为基础,采用相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法,通过建立模拟模型,开展了双煤层开采对覆岩的破坏影响研究。结果显示：留设不同宽度的煤柱,采用相似材料模拟和数值模拟2种方法得到的煤层覆岩垮落带高度、裂隙带高度都基本一致;在双煤层开采时,留设的煤柱宽度越大,两个煤层的叠置区域就越小,煤层开采对覆岩的破坏程度就越小。在工作面布置时,建议增大两个煤层的开采距离,并尽量增加煤柱宽度,以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。研究成果为类似双煤层开采工作面的设计及覆岩破坏控制提供技术支撑。     

采场上覆厚硬岩层的结构稳定性分析

采用托板理论对厚硬岩层的结构稳定性进行分析,结合地表沉陷中“三带”理论对托板进行分类,给出了不同类型托板的力学判断准则,结合相似模拟试验结果与托板判定准则分析评价,表明这种分类判断准则在开采损害工程中具有较好的应用价值。     

山区急倾斜煤层开采上覆岩层弯曲挠度预计

为了研究山区急倾斜煤层开采上覆岩层的弯曲变形规律,建立了上覆岩层弯曲变形的力学模型,运用弹性力学中的薄板弯曲理论,推导了上覆岩层弯曲挠度的预计公式,利用此公式对上覆岩层的弯曲挠度进行了计算。研究结果表明:(1)由于山区急倾斜煤层覆岩的线性荷载的作用,岩板的弯曲挠度曲线不再具有对称性,岩板弯曲挠度的最大值偏向于岩板倾斜的下山方向;(2)岩板弯曲挠度随着采深的增大而增大,岩板弯曲挠度最大值出现的位置逐渐由下山方向向采空区中点移动,但是最大挠度出现的位置不会越过采空区中点而位于倾斜岩板的上山方向;(3)岩板弯曲挠度随着山地倾角的增大而增大,岩板挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远;(4)岩板弯曲挠度随着煤层倾角的增大而减小,岩板弯曲挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远。     

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究

以榆阳煤矿为研究基地,进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明,风积沙层底部为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高,含水率大,抗压、抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的黏土矿物含量低、具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性,并通过多因素拟合,确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采,为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。     

综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术

为保障厚煤层综采工作面回撤巷的安全使用,以鄂尔多斯纳林河二号井31102工作面回撤巷强矿压显现为背景,通过现场监测与理论分析相结合的方法,对厚煤层综采工作面开采过程中回撤巷强矿压显现进行研究。结果表明：厚煤层综采工作面回撤巷强矿压显现,主要为工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力,以及回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用的结果。根据强矿压发生机理,提出回撤巷道及相邻巷道钻孔卸压和补强支护相结合的控制方案,使其处于“强支、强卸”状态。在相邻31103工作面回撤巷实施强矿压控制技术,通过现场观测和数据分析,表明强矿压控制技术效果良好,可有效保障回撤巷的安全使用。     

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

Numerical simulation on tendency mining fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth

In order to master the tendency mining-fracture-evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth in mining process, the 1221 working face in Zhao mine is selected as the engineering background and a mathematical model is established. The displacement variation, stress and strain of overlying strata and coal seams are simulated by using ANSYS software. In the mining process, the movement characteristics, displacement variation laws and fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth along inclination direction are discussed. Simulation results show that with the advance of working face, the fracture development of overlying strata and coal seams is larger and larger; the area of gob is gradually expanding and the transverse stress of overlying strata and coal seams is also expanding. Stress contour of overlying strata and coal seams at both ends of gob becomes denser and denser; the activity of the overlying strata and coal seams near the up-roadway side of the gob is violent. The pressure relief zone is formed in the upper part of the strata and the roof above the gob. Large inclination angle of coal seam results in larger supporting pressure in the underside of the gob and smaller supporting pressure in the upper side of the gob. Along the inclination direction of the working face, the pressure relief zone is mainly concentrated in the outlet roadway of the working face; the fracture development and strata separation are obvious, which offer good passage for gas flow and migration.     

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。     

地下工程开挖面空间效应特征研究及应用

地下工程开挖面对围岩变形具有约束作用,在该约束作用下开挖面表现出显著的空间效应。通过开展地下工程开挖面空间效应现场试验,获得了开挖面空间效应特征。根据现场试验结果,提出了描述开挖面空间效应的双曲正切函数经验公式。利用上述经验公式,开展了洞室围岩稳定性控制研究,获得了不同预警等级条件下拱顶沉降值控制标准。研究发现,对某特定断面,空间效应最显著时并非开挖面透过该断面时;地下工程围岩稳定性越差,开挖面空间约束效应越不明显;若采用常规先开挖再监测的方法,不能监测到围岩全部位移,从而影响参数反分析的准确性;利用开挖面空间效应原理可以获得地围岩稳定性位移控制标准。研究结果为深入了解地下工程空间效应和开展地下工程稳定性控制提供了借鉴和参考。