基于现场实测“三软”煤层采动底板变形破坏机制

为了探究郑州矿区厚的软顶、软底和软煤在炮采条件下底板变形破坏的机制,以告成煤矿某典型“三软”工作面为研究对象,通过现场实测、理论解析和数值模拟等方法对采动底板变形破坏深度和机制进行了综合研究。基于对上、下巷道底板现场应变感应数据的分析,得出了该面“三软”煤层回采巷道底板变形破坏的深度、层位及其受采动煤壁前方应力峰值的宽度和影响范围。在此基础上,建立了煤层底板应力分析计算的工程地质模型,运用理论解析和数值计算分别推导和模拟了在矿山压力作用下随着工作面推进,采动煤层底板不同深度基本应变解析解和应力与变形的分布规律。     

下保护层开采条件下上覆巷道变形规律研究

为了研究下保护层开采对上覆巷道的影响,以郭庄矿布置在3号煤层中的六西北二运输巷为研究对象,对其围岩变形破坏进行实测研究,结果表明:在下保护层开采的条件下,六西北二运输巷受到了其下方保护层9号煤层采动影响,根据巷道受影响的程度不同可分为初始采动影响区、采动影响剧烈区、采后影响区;巷道表面变形和围岩深部变形规律一致,最大变形速度区域位于工作面后方13—20 m;巷道底板破坏深度为7~8 m,且随着底板深度的减小,破坏程度加重;受影响的上覆巷道下沉量较大,累计下沉量1.1~1.4 m,此结论为相似条件下上覆巷道支护和加固提供科学依据。     

深部近距离变间距跨采底板煤巷围岩动显规律及控制技术

针对深部近距离多重采动影响跨采底板煤巷围岩塑性大变形破坏特征,研究了深部近距离变间距跨采煤巷围岩变形破坏及巷道底臌影响因素;通过数值模拟对跨采底板煤巷层间临界煤岩柱及合理内错距离进行优化研究,掌握多重采动影响条件下跨采煤巷动显规律,及多元应力叠加条件下跨采巷道围岩应力场动态演化规律;结合巷道围岩性态、层间距差异等制定了适合多重采动影响跨采底板煤巷动态分段耦合控制技术,并进行了工程试验研究.应用表明:跨采巷道围岩应力集中程度减弱,分布更加趋于均匀化,运输巷围岩的破坏范围及破坏深度减少,分段动态支护方式在深部近距离跨采巷道支护领域具有重要推广应用价值.     

动压底板巷道支护技术研究

底板岩石巷道在受采动影响时经常出现巷道变形量大、难以维护的情况。以淮北矿业集团杨柳煤矿10414运输巷底板瓦斯抽采巷为背景,研究了受采动影响底板岩巷的支护方式及其矿压显现规律。通过理论分析、数值模拟等方式得到底板巷道围岩应力分布规律,由此得出了底板巷道的变形破坏主要机理,并有针对性地提出了控制巷道变形的工程控制措施,现场实践表明,巷道变形量小,控制效果好。     

“三软”煤层巷道底板破坏深度计算与底鼓控制

针对郑州矿区典型的"三软"煤层巷道围岩松散破碎的特点,利用朗肯土压力理论建立巷道底板破坏的受力模型,分析了底板破坏的力学特征,给出了巷道底板破坏的深度公式,阐明了巷道底板的破坏机理,根据巷道底板的综合受力分析提出了底板变形的底鼓公式,结合郑州矿区告成煤矿21051工作面回采巷道实际情况进行了验算,并得到了较好的验证,这为郑州矿区乃至其它具有"三软"煤层特点的矿区巷道稳定支护提供的理论依据。     

动压巷道多次扰动失稳机理及开采顺序优化研究

应用计算机模拟、现场实测和理论分析综合研究方法,分析了煤层群开采条件下的张集煤矿1113(1)工作面轨道巷多次扰动失稳机理,并对煤层群邻近层多工作面回采顺序进行了数值计算,再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道围岩力学环境。研究表明：目前采用的邻近层交错同采方式,1113(1)工作面轨道巷失稳的力学本质为,本工作面回采活化了已破坏的上覆层间似连续-非连续-散体结构,加剧了工作面前方受多重采动影响的轨道巷浅部高应力环境下的大范围持续强变形,突出表现为巷道底鼓强烈;回采顺序显著影响煤层群回采巷道围岩稳定性,下行开采下伏回采巷道受扰动程度最低,巷道变形及围岩破坏范围最小;邻近层对应同采,下伏工作面轨道巷受上覆工作面底板聚压影响区高应力、巷道开挖、本工作面开采扰动等多重因素叠加作用,巷道围岩破坏范围最大、变形最严重。煤层群开采采区设计中应尽量采用下行开采,同时避免或减少巷道受多次采动影响。     

采动底板岩性及组合结构对破坏深度的制约作用

为了探究底板岩性及组合结构这一因素对采动底板变形破坏深度的影响,通过现场大量实测资料的整理分析,获得了类似均质底板和软硬岩不同组合结构底板在采动矿压作用下差异性变形破坏特征。研究结果表明:1)类似均质底板变形破坏规律相对简单,底板采动变形破坏深度主要受制于底板岩体的抗压破坏强度,总体上这种类型底板变形破坏程度具有自上至下呈由强及弱的渐次性变化特点;2)软硬岩夹层或互层底板采动变形破坏特征比较复杂,这种组合结构对底板采动变形破坏深度和程度均具有明显的控制作用,其中软弱夹层对底板破坏深度具有较强的约束效应,即软岩对上覆硬岩起到了重要的"褥垫效应",对下伏岩层产生"应力扩散效应"。研究结果揭示了底板岩性及组合结构对变形破坏深度具有重要的制约作用,对巷道支护和底板水防治均具有重要的理论和实际意义。     

近距离特厚煤层采动影响下底板破坏及巷道稳定性研究

以开采平朔煤矿近距离特厚煤层过程中底板巷道的稳定性为研究背景,通过理论分析、数值模拟及现场实测,对采动影响下的底板变形和破坏规律进行探讨。结果表明:工作面底板破坏深度理论计算值为18.4 m(煤层间距35 m),底板巷道的顶板较为完整,该结果与钻孔窥视仪实测结果相一致。数值模拟结果发现,随着工作面的推进,工作面的底板破坏深度不断增加,破坏范围不断扩大,当工作面推进100 m时,采动影响造成的底板最大破坏深度达到16 m,应力峰值和应力集中系数分别为16 MPa、3.2。随着工作面向前推进,巷道两帮移近量、顶底板移近量受采动影响的变形规律可分为3个阶段,即缓慢增加段、快速增加段、稳定变形阶段,在-100 m～-50 m范围内,采动对巷道变形影响较小,巷道变形增加缓慢;在-50 m～50 m范围内,采动对巷道变形影响十分强烈,变形呈现快速增加;在50 m～100 m范围,采动效应较弱,巷道变形保持稳定。     

沿空留巷巷道底板破坏特征及影响因素分析

针对沿空留巷巷道底板变形严重等问题，分析了沿空留巷巷道底板破坏特征及影响因素，以山西2个矿作为研究对象，分析了沿空留巷巷道底板破坏特征，主要分为5个阶段，主要为掘进稳定期、一次采动前支撑影响期、一次采动后影响期、一次采动后稳定期和二次采动前支撑影响期；然后采用FLAC^3D数值模拟软件，对沿空留巷底鼓影响因素进行分析。研究为沿空留巷巷道底鼓的治理提供了理论基础。     

动压软岩巷道底臌机理及防治技术

针对布尔台煤矿受二次采动影响巷道(回风巷)松软围岩底臌难以控制的问题,对巷道受采动影响后底臌变形情况进行详细统计,深入分析动压巷道压力显现特点,并结合国内底板软岩治理的相关资料,对动压巷道底臌的机理和类型进行总结,提出了动压巷道底臌治理的方法和措施,为矿井高效安全生产提供了可靠的技术手段。     

深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏力学行为及分区特征

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700 m以浅时近似线性增加,而采深700 m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。     

地应力对煤层开采底板破坏控制效应实验研究

为了研究地应力对深部煤层开采底板破坏深度的控制效应,论述了地应力随地层埋深不断增加而增大的分布规律,分析了地应力、矿山压力和底板突水的内在关系,通过室内岩石应力、应变和破坏特征实验研究,结合国内现场底板破坏深度统计资料分析,得出了地应力对深部煤层开采底板损伤破坏深度具有明显的控制效应,并提出了深部煤层开采底板破坏深度计算公式。     

综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题,以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法,分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象,进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布,是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示,非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系,放煤厚度在5.9 m范围内,放煤厚度越大,基本顶岩层破断偏转角度亦越大,巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大,底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加,逐渐向巷道中部位置移动,导致底臌变形最大位置分布不同,同时,煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差,现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的,控制上应以适应底臌变形为主;然而,当放煤厚度超过5. 9 m,基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能,巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态,巷道围岩塑性区分布范围大幅降低,底臌变形较小。据此,以巷道非对称底臌规律为依据,提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策,现场应用效果良好,底臌变形量有效减少的同时,巷道底臌处理工作量亦大幅降低。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

采高对煤层底板破坏深度的影响

随着埋深增大,原底板破坏深度经验公式对不同采高工作面底板破坏深度的预计误差增大。以赵固二矿为背景,通过有限元数值计算方法对底板破坏规律进行研究、采用矿井对称四极电剖面法对不同采高底板破坏深度进行实测并运用Spass软件对4个底板采动破坏影响因素与底板破坏深度的关系进行多元统计回归分析。研究得出,煤层埋深较大时采高对底板破坏深度的影响明显;随着采高的增大,底板垂直应力减小,围岩竖直位移增大,位移等值线梯度减小,底板破坏深度增大;考虑采高因素的底板破坏深度线性回归公式对煤层开采工作面底板破坏深度的预计准确率高,适用性强。     

杨村煤矿综采条件下薄煤层底板破坏深度的实测与模拟研究

通过2个监测钻孔8个应变传感器探头组成的现场应变实测系统实测应变增量的变化曲线,研究了兖州煤田杨村煤矿下组煤16上薄煤层底板采动变形破坏的深度及其受采动煤壁前方影响的范围。结果表明：16上煤底板破坏深度介于8.4~10.1 m;而运用FLAC3D进行底板变形破坏数值模拟得出的底板下塑性区破坏深度为9.1 m,与实测结果差别不大。     

留底煤掘进双巷布置大采高工作面巷间煤柱尺寸优化研究

确定巷间煤柱合理尺寸是保证留底煤掘进双巷布置大采高工作面安全、高产与高效的关键所在。以某矿122106大采高工作面沿底掘进胶运巷和辅运巷之间的护巷煤柱为工程背景,对工作面生产地质条件展开现场调研,同时原位测试巷道围岩地质力学参数。基于上述原始数据理论,估算出煤柱极限强度与合理的煤柱宽度范围,通过数值试验研究手段,分析初步选定宽度煤柱条件下,二次回采阶段巷道围岩及煤柱内部应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:煤柱的极限强度为50.48 MPa,合理的煤柱宽度为19.24~29.28 m。煤柱宽度20 m时,煤柱内塑性区是2个独立的区域;当煤柱宽度达到一定程度后,接续面回采对上个工作面侧煤柱应力影响较小,主要是对本侧煤柱影响较大;靠近煤柱侧顶板和帮部变形较大,垂直位移最大值集中在巷道肩角位置,顶板出现不均匀下沉;煤柱核区内垂直应力均小于其极限强度,能保证稳定;煤柱最大垂直应力集中在两侧,靠近采空区的位置,煤柱中部存在较明显的应力下降区域。     

回坡底煤矿回采巷道非对称底鼓机理及防治措施

以回坡底煤矿为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场实测研究了孤岛煤柱下回采巷道的非对称变形机理，提出了相应的底鼓防治措施。研究结果表明:孤岛煤柱下方岩体存在分区破坏特征且以剪切破坏为主，而采空区下方岩体以拉伸破坏为主，岩体破坏形态呈倒梯形；11-1021巷道位于剪切破坏和拉破坏岩体的交界处，导致巷道两侧围岩的破坏程度和破坏特征不同，从而巷道表现出非对称变形特征，1021巷道靠近煤柱侧围岩内应力较大，变形量较小，而靠近采空侧围岩的应力小，底鼓量大。基于巷道两侧围岩的应力和变形分布特征，提出了一种基于让抗结合的底鼓防治技术并进行现场验证，结果表明:当巷道不受采动影响时，经底鼓防治措施处理的区域底鼓量大幅减小，并且随时间增长底鼓速度趋于稳定；当巷道受采动影响时，经防治措施处理区域底鼓量减小近1/2，满足生产要求。     

采动影响煤帮变形机理与控制技术研究

为解决邻近工作面采动影响下3213运输巷煤帮变形显著问题,基于3215工作面开采后覆岩的结构特征,确定了基本顶断裂位置,分析了煤柱变形破坏机制,提出了高预紧力和注浆改性的煤帮变形控制思路,根据3213运输巷地质条件设计了技术参数。现场监测结果表明,提出的破碎煤帮稳定性控制技术实施效果良好,可有效控制巷道围岩的稳定性,顶底板移近量降低了81.4%,两帮移近量降低了79.6%。研究成果为类似条件矿井采动影响破碎煤帮变形控制提供指导。     

带压开采煤层底板破坏深度研究

底板破坏深度影响底板注浆改造层位的选择,采取钻孔压水试验、声波测试、钻孔窥视3种实测技术手段,选择桑树坪煤矿下组煤3105工作面进行底板破坏深度综合测试。研究结果表明,钻孔压水试验测试显示底板破坏深度为14.9 m,声波测试显示底板破坏深度为14.7 m,钻孔窥视显示底板破坏深度为15 m,声波测试结果真实合理地反应了工作面回采过程中底板岩层应力、应变变化规律,最终综合评价3105工作面底板破坏深度为15 m,可应用于同一采区其他工作面,为底板注浆加固层位选择提供了技术参数。