不规则工作面开采矿震活动规律及其致冲风险控制研究北大核心

针对不规则工作面开采期间矿震频繁问题,以陕西某矿21306工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践等方法,分析了21306工作面上覆岩层破断特征及开采期间围岩应力分布特征,研究了不规则工作面开采矿震活动规律,优化了降载释能的矿震致冲风险控制方案。结果表明:35 m的区段煤柱可一定程度上制约两工作面覆岩协同运动,21306工作面开采期间覆岩结构呈“O-X”型破断结构,与相邻采空区形成对称长臂T型结构;工作面推进过程超前区域及运输大巷侧应力影响范围不断扩大,以区段煤柱区域应力集中程度最大,回采至480m时垂直应力最大,已达到54.67 MPa,约是回采前垂直应力的1.41倍;随着工作面推进形成“刀把型”不规则结构,工作面缩面拐角区域应力集中程度明显较高,工作面缩面后降低了对运输大巷的影响;工作面开采期间震源事件主要分布于回采工作面前方,强矿震主要集中在工作面开采缩面区域、见方区域,且强矿震主要发生在工作面前方50 m及底板上方22~74 m范围内;强矿震诱发力源主要由关键层破断引起;实施了降载释能的矿震致冲风险控制优化方案,有效降低了强矿震的发生频次,保障了工作面后期的安全回采。     

巨厚覆岩破断运动与矿震活动规律研究

基于采场上覆岩层活动规律和冲击地压相关理论,以鲍店煤矿十采区103上工作面为研究对象,采用数值模拟和理论分析的方法,研究了上覆巨厚岩层的运动规律及诱发矿震的因素,通过对现场微震监测数据进行分析,验证了矿震事件与上覆岩层运动间的相关性。研究表明:"红层"砂岩未破断失稳前,工作面上方的2层亚关键层以组合形式运动,伴随能量小于104J的小矿震事件频发并贯穿整个工作面。当工作面推进到约350 m时,"红层"砂岩发生初次破断失稳,同时能量高于105J的强矿震事件频发,"红层"砂岩层位的矿震事件在平面位置上近似呈横向"O—X"型分布,在剖面位置上由"红层"砂岩下部逐渐向中部发展。     

深部临空巨厚坚硬顶板断裂矿震规律及成因研究

为研究特厚煤层临空巨厚坚硬顶板断裂的矿震规律,以250105工作面实际工程地质及开采特征为研究背景,采用微震监测技术对矿震事件进行了定位和统计分析,得到了矿震事件多集中在工作面采空区侧及工作面前方0~100 m。同时,采用数值模拟,分析了不同开挖阶段工作面围岩的应力分布状态,得到了工作面前方20~90 m及靠近回风巷侧顶板岩层0~40 m均为应力高度集中区域。研究结果表明,250105工作面回采期间矿震事件主要集中分布在工作面前方及工作面临空侧,厚硬顶板的破断对矿震事件的诱发起主要控制作用。     

深部工作面上覆巨厚火成岩条件下采动规律研究

安居煤矿2311工作面上覆约厚140 m的巨厚火成岩,严重影响工作面的安全开采,为研究上覆巨厚火成岩在工作面回采期间的运移规律,针对安居煤矿上覆巨厚火成岩的开采条件,以2311工作面为研究对象,从现场实际出发,采用理论分析和数值模拟的方法对2311工作面外段上覆巨厚火成岩采动规律进行研究。通过关键层的判别公式,确定了2311工作面上方的关键层位置,并计算得出巨厚火成岩对2311工作面外段回采期间的覆岩运动起主控作用。通过建立“两端固支梁”的力学模型,计算得出工作面上覆巨厚火成岩的极限破断距以及对应2311工作面采空区宽度,结果表明2311工作面外段回采期间上覆巨厚火成岩不会破断。最后,采用FLAC3D数值模拟方法,模拟2311工作面外段回采期间的应力分布状态,得出2311工作面外段回采期间的超前支承应力在可控范围内,从而验证了理论分析的正确性。     

采空区上方巨厚硬岩破断的力学分析

某矿Ⅱ102采区上方有厚度高达120m的巨厚硬岩,该采区走向长560m,巨厚硬岩直至回采结束也未破断,地表下沉量较小,严重威胁后续工作面的安全生产。利用薄板理论对此进行理论分析,并通过纳维叶解法得到挠度的解析解,进而得到硬岩破断时的应力表达式,从而用反推的方法得到硬岩破断时的极限跨距,并进一步得出10煤采空区的宽度,为实际生产提供了理论指导。     

煤矿地面直井水压致裂技术防治巨厚岩层动力灾害研究

以东滩煤矿63上06工作面上方高位巨厚红层砂岩为 研究对象,利用 FLAC3D数值模拟软件对水压致裂切割高位 坚硬岩层前后的岩层破断情况及破断时能量演化特征进行 研究。模拟结果表明:进行水力压裂后,巨厚岩层初次破断 时的来压步距由压裂前的260m 降低为180m,压裂后的巨 厚岩层较压裂前垮落更为充分,并未出现较长时间的悬顶现 象;压裂后,工作面前方支承应力峰值在水力压裂剧烈影响 区出现持续降低的现象,且较压裂前应力峰值减小,工作面 前方的应力集中现象减弱;压裂后的高位岩层初次破断前并 未发生大规模的弹性变形能积聚现象,弹性能分布较为均 匀。综合分析模拟结果,可认为地面垂直井水力压裂技术能 够有效地降低开挖过程中的应力和能量集中,避免高位岩层 破断时产生的高能量瞬间释放,降低矿震发生的等级。     

厚硬火成岩下回采工作面的冲击矿压防治研究

针对杨柳矿10~#煤层10416工作面在回采过程中发生冲击矿压、支架大面积损坏的工程现象,结合实际地质资料,通过建立力学模型,对工作面上方厚硬火成岩破断运移规律及能量释放量进行预测,并运用FLAC3D进行模拟验证,最终得出火成岩断裂时工作面的推进距离及冲击矿压发生时的能量临界值。分析结果表明,在工作面回采过程中,火成岩的破断所释放出的巨大能量造成冲击矿压的发生。当工作面推进至250~260m时,104采区发生冲击矿压的可能性较大;当工作面及两巷位置附近的能量值达到8.28kJ时,应加强监测,同时采取有效防治措施,并根据矿井的具体情况提出了钻孔卸压、煤层注水及卸压爆破三种治理冲击矿压的措施。     

采场上覆整体移动带坚硬岩层破断规律研究

为了防治采场上覆坚硬岩层突然破断给矿井造成的离层水（瓦斯）突涌等严重次生灾害,对某煤矿工作面连续大面积开采上覆整体移动带内坚硬岩层的破断规律进行了研究。以该煤矿首采区覆岩空间赋存、岩体结构、力学性质及地应力等地质工程条件为基础,采用薄板理论计算、数值模拟等方法,对采区首采面及后续工作面开采上覆整体移动带坚硬火成岩岩床初次破断及周期破断距进行了理论计算和过程模拟分析。结果显示,首采面开采过程中坚硬火成岩初次破断约300 m,周期破断约130 m;后续工作面开采时受邻近采空区影响,火成岩初次破断约260 m,周期破断约120 m;结果与现场实测数据分析相一致。研究成果对坚硬覆岩下煤层开采离层水、离层瓦斯突出等地质灾害预测及防治具有重要意义。     

工作面三掘进基本顶破断结构特征的数值模拟研究

采用数值模拟方法,对工作面三掘进巷道基本顶在工作面不同回采阶段的结构破断特征研究构表明：工作面回采过程中,基本顶岩层对上覆软弱岩层的运动起到了控制作用,上覆软岩的运动跟基本顶一致;三掘进巷道开挖后,先在巷道的顶板出现破坏区,随后底板也出现局部破坏;上区段工作面回采后,中阃回采巷道的帮部出现破坏区域,且靠近采空区域的破坏程度更大,基本顶在煤柱上方破断形成块体结构,煤柱靠近采空区域出现大范围的破坏区;下区段工作面回采后,中间巷道围岩破坏区域加大,基本顶仍然在煤柱上方破断形成块体结构,两煤柱靠近采空区域都有大范围的破坏区。     

房柱采空区遗留煤柱对下煤层开采的影响

为研究房柱采空区遗留煤柱对下部近距离煤层开采的影响规律,掌握该条件下工作面回采的矿压显现特征,采用数值模拟和力学分析方法,研究了大地精煤矿房柱采空区煤柱集中应力的影响深度以及下部煤层开采顶板的破断规律。结果表明:房柱采空区底板岩层应力随煤柱的分布呈周期性变化,3#煤层开采老顶活动受上部煤柱应力集中的影响,从而破断岩块,易发生滑落失稳,严重威胁了下部煤层的安全开采。