井-孔联合微震技术在工作面底板破坏深度监测中的应用

准确预测底板采动破坏深度是承压水上采煤底板水害防治中的一个关键问题,对于防治水方案的制定至关重要。根据山西保德煤矿的地质特征与工作面布置特点,采用高精度井-孔联合微震监测技术,对81307工作面底板破坏深度开展实时监测。利用锤击方法,标定了定位参数,验证了定位精度,确保微震监测系统的定位精度能够满足防治水要求,监测期间工作面回采600 m。监测结果表明：底板破坏深度为30 m,其中在81308二号回风巷下方破坏较深,81307一号回风巷下方破坏只有15 m,工作面超前破坏距离为25 m,监测结果与相邻81306工作面利用压水试验测量的底板破坏深度基本一致。研究表明,井-孔联合微震监测技术可以获得工作面底板破坏深度及其空间分布特征,更好地为煤矿防治水服务。     

大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试

针对邢东矿大采深的情况,利用现场底板注水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测试研究,依据单位注水量的动态变化以及注水孔与采线之间的距离关系,确定了底板破坏深度。试验结果表明:该工作面底板破坏深度为32.5~35m,比300m采深以内的工作面实测深度(9.15~12.0m)增加2倍以上,说明随着开采深度的增加,煤层底板采动破坏深度呈明显增大的趋势,因此,在水压和破坏深度二者同时增加的条件下,2121工作面深部煤层开采的突水危险性远远大于浅部煤层。测试结果为邢东矿大采深工作面的防治水方案的制订提供了科学依据。     

孤岛工作面应力分布规律的数值分析

为得出孤岛工作面推进过程中应力分布规律,采用有限差分法分析软件FLAC-3D进行模拟分析。得出了孤岛工作面的上下两区段煤柱分别承受着孤岛工作面上覆岩层的重量,处于高应力集中状态;随孤岛工作面向前推进,在工作面前方形成了应力降低区、应力升高区、原岩应力区;随孤岛工作面向前推进,煤岩应力集中系数不断增大。该研究为制定防冲、防突等措施提供参数数据,对于指导现场生产具有重要的应用价值。     

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

底板破坏深度六因素线性预测模型

针对煤矿底板破坏深度影响因素较多,难以准确地确定难题,通过分析影响底板岩体变形程度的底板岩层的抗破坏能力和作用在底板上的矿山压力两方面因素,选取采深、采高、斜长（工作面）、倾角、底板岩性组合与顶板岩性组合6个因素进行底板破坏深度研究,以某矿4602工作面为背景概化工程地质模型进行6因素5水平正交数值模拟试验。试验结果表明,（1）影响底板破坏深度的主要因素是斜长,顶板岩性组合、底板岩性组合、采深、采高依次减弱,倾角最差;（2）首次明确了顶板岩性组合是影响底板破坏深度的关键因素;（3）建立了斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的采动底板破坏深度预测模型,计算结果较开采规程经验公式的计算结果更接近实际,精度高、误差小,基本可以满足工程使用。研究结果对底板破坏深度的研究以及工程应用具有积极的指导意义。     

矿山压力对底板破坏深度监测研究

目前肥城煤田6 1%的煤炭储量受底板奥陶系灰岩岩溶水威胁,采场底板破坏深度的监测是该煤田底板水害防治的重要内容,选择肥城煤田曹庄井田8煤层和9煤层开采作为监测对象,利用向底板岩层注水方法监测岩层破坏情况。利用专利产品“钻孔双端封堵测漏监测仪”,监测煤层采前的底板原始裂隙发育程度和采后矿山压力底板的破坏深度。监测结果表明,8煤层开采造成的底板破坏深度可达36.5m;9煤层开采底板破坏深度可达14.2m。     

采煤工作面层状结构底板采动稳定及破坏深度的圆弧滑动解

目前采场底板破坏深度的理论计算是将底板简化为弹性或塑性体进行分析,但没给出两种方法的应用条件,同时也不能处理层状结构底板。为此,将支承压力作用下的底板极限平衡破坏形式视为圆弧型滑动,运用瑞典条分法搜出危险滑面并获取稳定系数和滑面最大深度。借鉴地基基础设计规范,给出底板安全系数值。在此基础上,以均质软、硬岩底板为例,将计算结果与现有理论解以及弹塑性数值解进行对比。讨论了软硬岩组合以及岩层倾角等因素对底板稳定系数及滑面深度的影响规律。研究表明:硬岩底板以局部塑性破坏为主,稳定系数一般较高,可近似采用弹性解;软岩底板一般塑性区范围大,甚至出现塑性滑动,采用极限平衡法分析误差较小。软硬岩组合底板中,当硬岩厚度达到一定值后,可大幅增加底板稳定系数并控制底板塑性区范围。在工作面上部,高倾角底板易发生浅层滑动破坏,而下部则与之相反。实例应用表明,圆弧滑动解考虑了层状底板强度参数的非均一性以及可判断底板的破坏形式,与实际更为吻合。     

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

杨庄煤矿六煤底板采动效应研究

根据杨庄煤矿的开采地质条件,分别建立了走向和倾向两类基本模型,应用数值模拟方法,模拟计算了工作面不同推进距离和不同切眼长度时,底板的破坏深度、范围及采动底板应力分布。数值模拟与现场应力测试及注水试验结果基本一致。对煤矿底板灰岩水的防治有一定的指导意义。     

基于损伤变量的煤层底板采动破坏深度计算

传统采动破坏深度计算中认为底板结构完整,未考虑实际岩体损伤。以淮南潘北矿11113工作面A组煤开采为背景,利用FLAC^3D对完整与损伤底板采动应力变化特征进行了分析,推导并计算了底板岩层损伤变量与底板破坏深度。此外,为验证该方法的有效性,对比分析了计算结果与测量结果。结果表明：采动应力的最大值出现在煤壁前后方,底板完整时为14.8 MPa,底板损伤时为17.5 MPa;底板岩层损伤变量D为0.574,基于损伤变量计算得出的底板最大破坏深度为16.15 m,对比并行电法探测结果16.00 m,该方法的计算准确率高。研究结果为快速准确确定底板采动破坏深度提供了一个新思路。     

带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10~11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。     

ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究

以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800 m时出现最大下沉速度3.5 mm/d,最大沉陷位移为3.7 m.五龙矿311面当开采100m和400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在60°～67° 时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70°时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30 m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为5.3 m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具.     

煤层底板突水综合监测技术及其应用

底板岩溶水害是华北型煤田较为普遍存在的问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,因此,底板突水监测预警已成为煤矿安全生产过程中的必要措施。底板水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程,在此过程的不同阶段,底板裂隙、岩层视电阻率等均会释放出对应的突水征兆,及时、准确、有效地采集这些信息,根据这些信息判别突水过程中的具体水文地质特征,为建立突水监测系统奠定了基础。根据突水三要素,在葛泉煤矿东井11916工作面,利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建了底板突水综合监测系统,对引起突水的导水通道和水源2个要素进行实时监测。监测结果表明：正常情况下,11916工作面回采过程中底板破坏深度为20~25 m,但是在2019年9月14日工作面推进到中间巷道时,运料巷和中间巷来自顶板的压力对底板破坏的叠加作用,以及附近的陷落柱原有破裂,致使该位置底板破坏深度加大,达到30~35 m,底板本溪灰岩水通过导水通道进入运料巷,底板出水2 m³/h,从视电阻率监测结果中不难发现1个低阻异常体从底板下逐步向上发育的过程。利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建的底板突水综合监测系统能够捕捉到底板突水征兆,对于预测重特大水害事故的发生具有重要意义和实用价值。     

相似材料模拟在研究煤层底板采动破坏规律中的应用

为研究煤层底板采动破坏规律,以邯邢地区9号煤层为原型,采用室内相似材料模拟技术,对煤层开采过程中煤层底板的应力分布、位移、破坏规律及破坏深度进行模拟和观测研究。结果表明,工作面推进0～70cm时底板应力分布曲线呈V形,工作面推进70～150cm时底板应力分布曲线呈W字形。并提出邯邢地区9号煤层埋藏深度为600m之内的煤层底板破坏带深度的经验公式为h=0.04367H-2.7315M 12.6117。     

细长窄煤柱破坏机理的数值分析

对特厚煤层条件下采用螺旋钻机开采细长窄煤柱的破坏过程进行了数值模拟。模拟结果再现了开采过程中煤柱破坏发生、发展直至塑性区贯通破坏的全过程,并从应力场演化分析了煤柱破坏过程的应力分布特征及破坏机理。     

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。     

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。