巷道顶板离层自动监测报警系统

目前在煤矿中使用的结构简单的机械式巷道顶板离层指示仪和借助电气元件的声光报警式巷道顶板离层指示仪，采用人工观测的方法，误差较大，而且不能实现顶板离层的动态监测。为此，济南澳科矿山工程技术有限公司和兖州矿业（集团）有限责任公司研制出了一种采用机电一体化的巷道顶板离层自动监测报警系统，排除了人为的因素，提高了顶板离层监测的准确性、及时性和可靠程度。     

煤矿顶板失稳冒落分形预报的可能性研究

研究了煤矿顶板运动过程中所表现出的分形特征，提出了用顶板下沉速度、声发射等的分数维值的变化来预报顶板失稳、冒落的方法。不同顶板条件实测结果分析表明，分数维指标能更加科学地反映顶板运动的特性。     

煤矿采区巷道顶板离层的观测技术分析

回采巷道在矿井安全生产中起着重要的作用，它是工作面回采顺利进行的重要保证。现阶段的煤矿开采工作获得了社会上的广泛重视，尤其是煤矿采区巷道顶板离层的观测技术，从现有的工作来看，该技术对煤矿开采和安全生产具有很大的影响。由于现阶段的社会对煤矿资源的需求较为强烈，因此应通过加强煤矿采区巷道顶板离层的观测技术，获得更多的数据、信息、资料，在综合分析后，制定安全性较高、效率较高的采矿工作方案，进一步满足社会需求的同时，创造出较大的经济效益，推动我国社会的全面建设。由此可见，煤矿采区巷道顶板离层的观测技术对煤矿的开采和生产，具有较大的积极意义，日后应在该技术上进一步努力，不仅仅是健全技术体系，还应该在多方面来完成技术的多元化应用。     

LBY-Ⅲ型顶板离层指示仪在五沟煤矿中的应用

分析了LBY-Ⅲ型顶板离层指示仪的机构特点和仪器的技术指标,结合该仪器在五沟煤矿中的应用,详细地介绍了LBY-Ⅲ型顶板离层指示仪的安装应用过程,指出了该仪器能为岩层的分离提供渐进式的早期预报,具有显著的经济效益和社会效益。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

采区准备巷道层状复合顶板的离层和机理

以澳大利亚一煤矿的现场观测数据为基础，研究长壁工作面采区准备巷道层状复合顶板的离层和扩展特征及离层机理。对3个不同的采矿阶段，即掘进阶段，掘进之后回采之前和回采阶段的巷道顶板离层发生的时问、位置、大小和所对应的地质条件及离层在各阶段的扩展过程和特点进行了研究。从时间上看，巷道顶板离层在巷道成巷之时即出现，其尺寸随着采矿活动的变化而变化。从空间上看，在成巷初期离层在顶板6m范围内分布大致均匀，之后形成2个位于顶板附近和深部的离层区。随着时间的推移，两离层区域逐渐合并，在巷道顶板上方6m范围内形成为巷道高度的2倍的离层区。在成巷初期，最大离层决定着巷道的离层特性。在成巷后期，离层数量则起主导作用。研究结果还显示采区巷道复合顶板的离层机理与各采矿阶段的采矿活动有着密切的关系。另外，顶板各岩层的物理力学特性，岩层的变形与时间的关系和蠕变特性，地下水的影响以及各采矿阶段之前和之后的垂直和水平应力大小等都是导致采区巷道层状复合顶板离层的重要因素。     

徐州西部矿区坚硬顶板来压预测预报

利用弹性地基梁力学模型，导出采场坚硬老顶的挠曲线方程，并分析老顶的超前断裂现象和采场工作面顶板下沉速度变化规律。根据理论分析和对徐州西部矿区坚硬老顶来压预测预报的实践的总结，提出以工作面顶板下沉速度变化规律预报采场老顶来压的新方法     

坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法研究

采场来压强度预测是矿压灾害防治的重要组成部分,是岩层控制的主要依据。首次定义矿压显现强度指数,并据此提出坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测新方法。根据大同矿区坚硬顶板厚煤层开采实践,以远场高位结构失稳条件为核心,综合考虑影响矿压显现的基础指标和强化条件,建立坚硬顶板厚煤层采场矿压显现分级预测指标体系。基于模糊数学理论,构建矿压显现强度分级预测模型,并给出不同因素4个不同级别的量化指标。应用该方法对同忻煤矿坚硬顶板特厚煤层8105工作面矿压显现强度进行预测,预测结果与开采实践较吻合,应用研究表明,该方法可准确地预测坚硬顶板厚煤层工作面矿压显现特征。矿压显现强度指数分级预测方法指标体系普适、全面、系统,指标参数分级划分详实、可操作,该方法可为其他矿区坚硬顶板厚煤层采场来压强度预测、顶板管理等提供理论参考。     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。     

淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷破坏特征及控制对策研究

 针对淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷支护过程中出现的围岩剧烈破坏难题,综合现场调研、煤岩试验、数值模拟、理论分析及井下试验与实测等方法,对其变形破坏机制、工字钢与锚杆(索)支护位移场的分布及煤巷动态破坏特征、顶板钻孔淋水量分区、新型防水锚固剂的锚杆(索)锚固力测试及淋涌水碎裂顶板控制对策进行系统化研究,主要研究内容及结论如下：(1) 淋涌水碎裂煤岩顶板的破坏主要是支护结构体的非整体性承载、锚杆(索)支护受钻孔淋水持续弱化失效以及顶板复合煤岩结构刚强度差异大而导致的离层综合作用的结果;(2) 研究新型防水树脂锚固剂,并通过井下淋涌水顶板锚杆(索)拉拔试验及支护后期锚索监测结果,检验防水锚固剂稳定性能;(3) 提出控制淋涌水碎裂顶板的“四位一体”控制对策,分析具体支护措施力学效应及保持顶板稳定性方面的作用;(4) 详细介绍井下运用“四位一体”综合控制系统的一典型淋涌水型碎裂煤岩顶板煤巷成功实例。研究成果可在霍州矿区进行推广应用,对类似条件巷道支护技术具有一定的理论和实用价值。     

大断面切眼顶板偏应力运移及围岩稳定

为了探究大断面切眼顶板控制机理,以某煤矿5205切眼为工程背景,采用UDEC4.0模拟了切眼宽度6～10 m过程中,顶板偏应力、裂隙场、变形规律等响应特征。结果表明：①顶板偏应力呈浅部逐渐升高,深部逐渐降低的分布形态,宽度越大顶板浅部偏应力越小,而深部偏应力越大,同时,偏应力极大值逐渐降低并向深部转移。②围岩裂隙场分为3个区：裂隙贯通区、裂隙发育区、微裂隙区,均呈“半椭圆”状。③切眼宽度的增加,加剧了顶板微裂隙区向裂隙发育区及裂隙发育区向裂隙贯通区的转化,同时,顶板下沉增大。认为：顶板的控制首先保证帮不稳定三角块的稳定；高性能锚杆可更好地控制裂隙滑移。④双桁架锚索可锚固在肩角无裂隙区和顶板深部预应力叠加区,可抑制顶板中部裂隙贯通区的拓展和变形。基于此提出了高强高预紧力锚带网和双桁架锚索联合控制技术,矿压结果：切眼掘出后10 d实现自稳,顶底板相对移近量128 mm,两帮相对移近量96 mm,顶板离层4 mm。     

爆破作用对层状顶板接触层面累积破坏效应分析

露天井下联合开采矿山地面的爆破开采作业产生的爆炸应力波对浅埋采空区顶板及其围岩形成动力加载环境,从而造成采空区层状顶板接触面层的离层错位破坏,当这种破坏累积到一定时刻将可能诱发采空区失稳。利用FLAC3D构建采空区三维数值计算模型,采用其内置Interface命令模拟层状顶板的接触面层。在采空区顶板顶部输入安太堡露天矿实测的爆破波速度时程模拟爆破震动对采空区层状顶板的动力加载。通过分析设置监测点的位移曲线、接触面层的剪切应力场、法向应力场及贯入量值场的变化规律,揭示了随着爆破次数的增加及顶板厚度减小工况下,爆破作用对层状顶板接触面层的离层错位累计破坏效应,为类似采空区层状顶板的稳定性评价、失稳可能性的风险评估及露天爆破开采作业提供一定的技术参考。     

移炉隧道浅埋软弱围岩段塌方冒顶处理方案

针对移炉隧道浅埋软弱围岩段塌方冒顶事故，分析了冒顶的原因和经过，介绍了采用的施工方法和加固范围，探讨了隧道、冒顶的施工处理方案，可供类似工程参考。     

Analytical design method for a truss-bolt system for reinforcement of fractured coal mine roofs—illustrated with a case study

This paper presents an analytical design method for the truss-bolt system in reinforcing underground fractured rock roofs in coal mines. The analytical design method is based on the mechanical analysis of the fractured rock roof with reinforcement by inclined roof bolts and a horizontal tie-rod. The mechanical analysis for the system includes a non-linear bending model for the laterally inclined roof bolts and three upper and lower bounds. The lateral resistance of the inclined roof bolts in a truss-bolt-supported roadway is examined using classical theory of a non-linear beam in bending. The paper analyses the arching action by lateral behavior of the inclined roof bolts in reinforcing the fractured roof. Based on mechanical models, the design formula concerning the lateral bolt forces, tensions in the tie-rod in the truss system, as well as the reinforcement behavior have been derived. In order to ensure that the roof truss-bolt system reinforces the coal roof effectively, a lower bound of pre-tightening forces must be applied on the tie-rod for stabilizing the fractured roof by arching action. The pre-tightening forces exerted via the tie-rod also cannot be greater than its upper bound, since the excessive tightening force will cause localized failure in the rock near the bolt tail at the abutment of the fractured roof beam. The analytical formulas for both lower and upper bounds for truss pre-tightening forces are put forward in this paper. Furthermore, the paper also presents analytical equations for designing the axial forces and dimensions for bolts in this kind of system. Parametric studies and optimization analysis are also carried out on the basis of the proposed approach. A flow chart and procedures are presented to show the analytical design method for this truss-bolt system. Case studies are presented to show how the method can be used in actual coal mining tunnels. The predicted results compare well with those measured in the actual case studies.     

隧道浅埋段监控量测数据分析及冒顶预测

通过现场监控量测得到的数据进行分析,对隧道浅埋段冒顶进行一定的预测,通过本次分析,提出了隧道监控量测中需结合监控量测累计变化量及变形速率综合评价隧道安全稳定性的思路。     

Displacement, stress and seismicity in roadway roofs during mining-induced failure

Roof stability in gateroads is a long-standing issue in many of the underground mines in Australia that use longwall extraction methods, due primarily to a significant increase of vertical stresses ahead of the longwall face. Although numerous studies have been done in the past, the process of roof rock deformation and breakage prior to and during a roof failure in an actual mining environment is still being debated. This paper describes a new integrated roof monitoring system and the results from applying this system in an Australian underground coal mine. The system integrates displacement, stress and seismic monitoring. It has been applied to two roadways in an Australian underground coal mine during two field experiments. The key roof behaviour identified by the integrated monitoring package during the two field monitoring experiments is reported and discussed in this paper.The experiments were conducted in the “tailgate” roadways that are adjacent to the caved zone, or “goaf”, of the previously mined panels. It was found in the experiments that, prior to roof falls, roof displacement accelerates whereas the horizontal stresses reduce. Seismic activity intensifies before major roof displacement or stress changes are evident, and subsides in the later stage of roof failure when large roof displacement is visible. The seismic resonance frequencies decrease during roof failure development. The field monitoring studies have also identified a number of quantitative and site-specific roof fall precursors potentially useful for roof fall prediction and prevention.     

超长孤岛综放工作面支承压力分布规律研究

为对超长孤岛综放工作面围岩稳定性和顶煤冒放性进行控制,采用FLAC3D有限元软件对比分析了超长孤岛工作面的支承压力分布特征。研究老顶上覆岩层应力场的变化规律,分析初采期间和正常推进期间工作面超前支承压力分布规律。老顶岩层内工作面超前支承压力存在两个峰值区域,工作面后方支承压力沿面长方向的中间存在一个峰值区域,两者之间为低支承压力区域。顶煤层位支承压力峰值大于煤层的机采层位,但支承压力的影响范围小于机采层位,且顶煤的极限平衡区宽度较机采层大。工作面正常推进期间较初采期间的支承压力极限平衡区宽度增大,孤岛工作面加长后支承压力峰值系数在初采期间增加,而在正常推进期间降低。超长孤岛工作面减小孤岛工作面侧向支承压力的叠加影响。