近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究

针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下,“大周期”来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题,采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段,对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究,结果表明：覆岩破断运动上,多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间”和“自下而上”的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“高低层位顶板组合破断”是“大周期”来压增强的关键诱因;同时,煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上,工作面“大周期”立柱下缩量平均可达945 mm,持续距离12.10 m,并可由2～5次连续强来压组成;巷道煤柱应力集中系数达到1.80～2.30,影响范围为工作面前方126 m至后方471.3 m,具有明显的“高强度、大范围、长上升期”特点。针对该条件下的强矿压防治,分别提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得的了较好的应用效果。     

浅埋煤层覆岩关键层结构分类

以神东矿区浅埋煤层开采为工程背景,对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行了研究.结果表明,浅埋煤层覆岩关键层结构类型可分为单一关键层和多层关键层结构;单一关键层结构又分为厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结构、上煤层已采单一关键层结构3种类型.单一关键层结构是导致浅埋煤层特殊采动损害现象的地质根源,浅埋煤层单一关键层结构采动破断运动不仅对工作面矿压产生影响,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉陷.关键层破断块体结构承担的载荷层厚度大而不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条件,从而导致关键层破断块体滑落失稳,这是导致神东矿区浅埋煤层单一关键层结构工作面易出现台阶下沉和压架出水等采动损害问题的力学机理.确定了神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法.     

450m超长综采工作面矿压显现规律研究

为掌握超长综采工作面矿压显现规律及其发生的机理,采用现场观测和理论分析的方法对哈拉沟煤矿450 m超长综采工作面矿压显现规律进行分析。结果表明:450 m超长综采工作面存在大小周期来压现象,2次小周期来压后间隔8 m出现一次大周期来压,且大周期来压期间工作面倾向压力分布呈现三峰值W型特征。亚关键层和主关键层共同作用导致工作面呈现大小周期来压特征,即主关键层破断导致亚关键层提前破断,进而造成了工作面来压步距和来压强度的大小交替变化。周期来压时基本顶分别在压力峰值区域发生破断,各破断岩块随着工作面推进沿工作面倾向发生回转下沉,导致其附近区域支架工作阻力增加。     

浅埋深双关键层结构采场矿压规律研究

采用现场矿压观测、理论分析方法对锦界煤矿31109工作面的矿压显现特征及来压机理进行研究。研究结果表明工作面存在大小周期来压现象,小周期来压荷载多集中在工作面中部,大周期来压时工作面大部分支架均处于来压状态;主、亚关键层周期破断距分别为10.1 m、18.2 m,破断后均不形成砌体梁铰接结构;主关键层断裂岩块以悬臂梁向后下方回转下沉,一方面使得亚关键层在煤壁上方提前破断滑落,造成工作面大范围剧烈来压显现,另一方面会使得亚关键层在断裂线处受到损伤,此后造成工作面小范围缓和来压显现。     

浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律

在多关键层的复合效应作用下,工作面回采过程围岩应力和支架顶板受力具有特殊性。以昌汉沟矿为研究对象,对浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律进行研究。通过关键层理论,确定工作面上方19 m处的细砂岩为亚关键层,工作面上方47.5 m处的粗砂岩为主关键层。采用RFPA数值模拟,对上覆岩层规律进行模拟,结果表明:亚关键层和主关键层控制工作面的上覆岩层运动,上覆岩层的破坏和移动特征总体表现为"两带"。通过对支架载荷监测得到:采场来压呈现出非均匀性周期变化,亚关键层破断引起小周期来压,主关键层破断引起大周期来压。     

浅埋近距离多煤层采空区下厚关键层破断特征及支架工作阻力确定

针对浅埋近距离多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象,以神东补连塔煤矿上煤层采空区下大采高工作面为背景,采用现场实测与理论分析等方法对多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。结果表明:多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;根据关键层判别方法、钻孔岩芯和工作面矿压显现综合判断,垮落位置位于该岩层中部,上位厚关键层顶板形成"砌体梁"结构,下位厚关键层顶板形成"悬臂梁"结构;"砌体梁"结构对工作面矿压影响减弱,"悬臂梁"结构成为支架作用力的主要力源;正常回采时影响支架稳定的最危险状态是悬臂梁与砌体梁组合同时破断,对工作面顶板管理带来一定的困难;厚关键层在特殊情况下会产生整层破断形成"台阶岩梁"结构,应提前采取应对措施。     

大采高开采高位关键层运动致灾机理研究

大采高工作面采场强矿压灾害与上覆高位关键层的赋存状态及破断运动密切相关。研究与实践表明：特厚煤层综放开采或特大采高综采工作面顶板高位关键层横“O-X”破断、竖“O-X”破断以及悬而未断都将显著影响采场矿压,导致工作面易出现强矿压灾害或冲击地压灾害等动力现象。结合部分工程案例,阐述了大采高开采高位关键层在不同破断形式或悬而未断条件下的致灾机制,并提出了高位关键层致灾防控技术,为西部类似大采高开采条件下的工作面安全高效开采提供借鉴。     

近浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律研究

为掌握榆神矿区近浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律,选取区内某矿N1200大采高综采工作面为研究对象,开展了相似材料物理模型实验研究及现场实测分析。研究表明,N1200工作面初次来压步距为56 m,周期来压步距平均为15.8 m,支架平均工作阻力4 843 kN,动载系数最大1.95,支架工作阻力达到9 739 kN即可满足现场需求;由于受到上覆双关键层叠合破断的影响,工作面呈现大小周期来压现象,小周期来压时岩层垮落角以主关键层为界呈上大下小分布,大周期来压时动载系数及超前支承压力峰值均增大。     

浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现规律及控制技术研究

针对榆神矿区曹家滩煤矿浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现强烈、强动载来压现象频发的问题,对工作面强矿压显现规律进行了研究总结。研究得出：工作面周期来压步距平均18.4m,来压持续距离平均11.5m,动载系数平均1.45,来压主要影响35#—125#支架,具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性出现强矿压等特点,工作面平均每间隔135m出现一次大周期来压,大周期来压时一般出现连续性强来压,并伴随支架安全阀大范围长时间开启(安全阀开启比例50%以上)、支架活柱持续性快速下缩(支架最大下缩量超过2.0m)等现象。为减小坚硬顶板带来的强矿压威胁,采用井下定向水平长钻孔区域压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂。压裂后,工作面矿压显现强度明显减弱,未再发生顶板快速下沉的强矿压现象,顶板来压更加可控,支架工况得到明显改善,取得了良好的应用效果,对榆神矿区浅埋厚硬顶板工作面强矿压治理具有借鉴意义。     

富水顶板大采高综采工作面涌水与矿压关系研究

针对纳林河二号煤矿31101富水顶板大采高综采工作面涌水情况,分析了工作面涌水与工作面矿压以及顶板岩层结构之间的关系。通过理论计算得出了关键层层位,认为基本顶及其控制的上覆岩层和关键层Ⅱ及其控制的上覆岩层共同组成了"复合悬臂梁—复合铰接岩梁"结构。计算得出关键层Ⅱ的初次断裂步距为210.3m,周期性断裂步距为101.1m,与现场实际矿压与涌水情况相符。认为"复合悬臂梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"小"出水,而后发生小周期来压;"复合铰接岩梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"大"出水,而后发生大周期来压。研究结果为31101工作面的出水预测提供了理论依据,并为相似工作面涌水与矿压关系研究提供参考。     

厚土层厚基岩大采高综采面矿压规律

以小保当煤矿2-2煤层300 m埋深5 m大采高综采面地质条件为背景,采用理论分析和相似模拟相结合的方法,对厚土层厚基岩工作面上覆岩层结构、来压步距和支架工作阻力等进行研究.结果表明:2-2煤上覆岩层存在"双关键层"结构,亚关键层和主关键层共同作用导致工作面的大小周期来压现象,大、小周期来压步距分别为23,12 m.动载系数1.31,工作面来压较为剧烈.来压过程中支架工作阻力平均为12 643 k N,最大工作阻力为13 633 k N.工作面煤壁支承压力峰值为14.73 MPa,峰值位于采场煤壁前方5.5~20 m,支承压力增幅剧烈的区域为煤壁前方50 m范围内.小保当矿2-2煤厚土层厚基岩大采高综采面矿压规律与榆神府矿区近浅埋煤层矿压特点相似,为小保当煤矿2-2煤安全开采提供依据.     

砂岩直覆顶板预裂爆破矿压控制技术

赋存于煤层顶板的关键岩层破断会引起采场强烈的矿压显现,尤其是直接赋存于煤层顶板的厚硬砂岩层作为主关键层,其破断容易引发矿山动力灾害。针对某工作面顶板厚砂岩直覆特征,运用关键层理论分析了该岩层梁式初次断裂的极限步距、周期性跨落步距及相应的支护阻力要求,为使工作面支架能够承载顶板压力,切眼向前每隔20 m采用超前深孔预裂爆破措施。矿压实测结果表明,厚砂岩的强制放顶减缓了顶板载荷对支架的作用,实现了现有支护设备条件下工作面的安全回采。     

富水顶板综放工作面出水规律与高位关键层破断特征分析

针对崔木煤矿富水顶板特厚煤层综放工作面在限厚开采条件下,仍然频繁出现的出水和压架问题,分析了上覆关键层破断与工作面出水的关系,认为21303工作面导水裂隙带的发育高度受高位厚硬岩层亚关键层Ⅰ的控制,最大发育高度为185m。工作面出水具有周期性,且出水周期性与亚关键层Ⅰ周期性破断有关,出水在形式上可以分为直线型导通和折线型导通两种。在初次和周期性出水期间伴随着工作面强矿压显现。     

采场覆岩厚硬关键层初次破断的研究

以某矿12号煤层开采为背景,运用RFPA2D数值模拟软件,通过理论分析与现场实测相结合,研究不同厚度的直接顶条件下,采场上覆厚硬关键层初次破断的形式,以及初次破断步距的预测。结果表明,当直接顶厚度为2m时,厚硬关键层会发生回转失稳,容易造成支架压架或更为严重的冲击矿压事故;当直接顶厚度为5m时,厚硬关键层会形成相互咬合的砌体梁结构;基于厚硬关键层初次破断是非对称的,结合薄板理论公式可预测厚硬关键层的破断步距。     

覆岩多层坚硬顶板条件下特厚煤层综放工作面支架阻力确定

为分析覆岩多层薄采空区坚硬顶板条件下特厚煤层工作面的强矿压显现机理,合理确定工作面支架支护阻力,采用理论分析、相似模拟与现场实践相结合的研究方法,对特厚煤层开采条件下的多层顶板破断规律与工作面支架阻力确定问题进行了探讨,得出了工作面支架阻力确定原则与方法。研究表明:多层坚硬顶板的破断形式与破断次序对工作面矿压显现影响较为明显;关键层顶板的单层垮断或多层同步失稳将对应不同的工作面支架阻力;坚硬厚层顶板同步失稳条件下,单纯提高支架阻力将难以满足特厚煤层工作面合理支护要求。以大同矿区某煤矿工作面生产实际为背景,对特厚煤层工作面进行了支架合理选型同时配以坚硬顶板的水压致裂控制技术,取得了良好的顶板控制效果。     

鄂尔多斯矿区典型厚顶宽煤柱采场冲击地压机理

以门克庆煤矿3102工作面为背景,对多层厚顶板宽煤柱采场冲击地压诱发机理、冲击显现规律展开研究.研究结果表明:多层厚顶板具有近场关键层竖"O-X"、远场关键层横"O-X"破断特征及"分步异化"的周期来压规律;宽煤柱应力随3102工作面推进由非对称马鞍形逐步演化为单峰形;工作面超前区域及宽煤柱受支承压力叠加影响静载应力很高,为冲击高危险区域;当关键层破断释放能量与宽煤柱煤体积聚的弹性能叠加超过其承载极限,将诱发临空巷道冲击显现;现场多层厚顶板大周期、中周期及小周期来压步距分别为141.6 m,43.2～49.6 m,17.6～27.2 m,大周期来压期间微震能量、频次及支架工阻增量最高,微震空间分布与高静载应力区域重合,理论分析与现场实际相符.     

大空间采场远场关键层破断形式及其对矿压显现的影响

针对大同矿区特厚煤层综放大空间采场易出现大周期强矿压现象的特点,采用理论分析与现场实测方法,研究大空间采场上覆远场关键层破断形式及其对采场矿压显现的影响机制。首次提出大空间采场覆岩远场关键层"横O-X"破断的"三角板"结构力学模型,并初步分析了"三角板"结构的动态失稳过程,指明远场关键层"三角板"结构失稳是引发采场出现大周期强矿压显现的主要原因,这一结论也得到大同矿区特厚煤层开采实践的证实。此外,远场关键层破断影响采场矿压的现象在神东矿区亦有发生,且其"横O-X"破断特征也得到了地表采动裂缝形态的验证。研究结果可为大空间采场强矿压显现的科学控制提供指导。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。     

柳塔矿不稳定厚硬煤层综放面矿压显现规律研究

为掌握神东矿区不稳定厚硬煤层综放工作面的矿压显现规律,采用数值模拟和现场实测方法,对柳塔煤矿首采综放面的矿山压力显现规律进行了研究.结果表明,工作面初次来压步距为58 m,周期来压步距9.43 m;ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架实际工作阻力仅达到额定工作阻力的64％.与其他厚硬煤层综放面相比,该工作面顶板来压强度小,工作面超前支撑压力影响范围小,支架动载系数小.     

顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究

针对神东矿区布尔台煤矿42107工作面回采过程中频繁发生的强矿压显现问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对井下定向钻孔水压致裂顶板厚硬关键层控制工作面强矿压显现进行了研究。研究结果表明:4-2煤层顶板厚度约22 m的粉砂岩亚关键层2是影响工作面强矿压显现的主要因素;理论分析通过顶板弱化降低亚关键层2的强度,在一定程度上能够削弱工作面强矿压;通过减小亚关键层2破断块体竖向节理的摩擦角以模拟顶板致裂效果,亚关键层2弱化改性后,42107工作面两侧的区段煤柱以及实体煤壁上的支承压力峰值显著降低,减小幅度约18.3%;实际在42107工作面顶板布置了3个定向钻孔,由该工作面内11台液压支架在致裂前后的工作阻力曲线得出,来压期间支架最大工作阻力由22 535 kN减小至19 599 k N,周期来压步距则由致裂前的21.0 m减小为致裂后的16.9 m,表明定向钻孔水压致裂覆岩关键层能够较好地控制工作面强矿压显现。