基于中厚板理论的关键岩层变形及破断特征研究

厚且坚硬关键岩层的变形与破断影响着上覆岩层的运动,针对传统"梁"或"薄板"理论在分析厚且坚硬关键岩层受力与破断适应性差的问题,基于中厚板理论对存在厚且坚硬关键岩层的孤岛工作面在初次来压、周期来压时关键岩层的位移及应力分布情况进行了研究,讨论了关键岩层厚度对于切应力分布的影响,揭示了关键岩层的受力与破断特征,提出了关键岩层破断模式判据。结果表明:在覆岩条件一定的条件下,关键岩层厚度越小,越容易发生拉伸破断,随着关键岩层厚度的逐渐增大,破断形式逐渐转变为拉剪混合破断和剪切破断;关键岩层厚度较小时,在破坏时多发生的是拉伸破断,破断后的关键岩层沿支点旋转形成绞接结构,不会对工作面造成太大的载荷;坚硬厚关键岩层则多发生剪切破断,对工作面造成冲击,易发生剪切破断的坚硬厚关键岩层破断位置与传统薄板理论确定的破断位置不同;坚硬厚关键岩层内分布的切应力随着岩层厚度的增加而增大,来压前后,关键岩层内部的应变能峰值由中部向工作面两端转移;坚硬厚关键岩层内部的切应力分布更为集中,将切应力集中分布的这部分区域作为围岩控制的重点,实现工作面灾害分区域、分级防控。     

大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素,但现有井下预裂技术无法控制。为此,提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法,开展了大型真三轴原位试件(2060 mm×1200 mm×1200 mm)水力压裂试验研究,揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律;给出了地面压裂关键层位范围,综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征,建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则;给出了压裂面积-流量-时间的关系模型,得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系;研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术,综合前述研究,形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系,并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明,地面压裂裂缝扩展范围大,垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250,218 m,裂缝宽度30~120 m,水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216 m,裂缝高度43~50 m,裂缝扩展均覆盖了工作面范围,穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明,工作面开采至压裂裂缝扩展区内,支架阻力降低21%,煤壁片帮率减少23%,超前单体无任何弯曲折损现象,巷道围岩稳定,压裂控制效果好。可见,坚硬顶板地面压裂技术,可从源头杜绝采场强矿压的发生,探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,为解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。     

多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。     

坚硬厚顶板条件下岩层破断及工作面矿压显现特征分析

以石屹台煤矿生产实际为背景,采用理论分析与现场实测相结合的研究方法,对不同支撑边界条件下坚硬厚顸板破断及来压特征进行了分析.研究得到顶板破断位置及尺寸的确定方法及步骤:1)根据顶板不同支撑边界求得岩层应力分量表达式;2)根据深梁、长梁结构应力分布特点,结合长梁易破断位置应力,给出顶板危险垮断尺寸;3)修正顶板危险垮断尺寸得到坚硬厚顶板岩层内最大主应力及剪应力分布;4)选定最大拉应力或剪应力值接近岩石抗拉或抗剪强度时的垮断尺寸作为顶板极限安全跨距.结果表明:石屹台煤矿坚硬厚顶板以剪断特征为主,顶板初次垮断及周期来压步距分别在35.0 m与9.8 m左右.     

印度某矿采场上覆厚岩层破断行为实验研究

依据印度东部煤田有限公司(ECL)Jhanjra煤田R-Ⅵ煤层2号钻孔地质资料和开采工艺参数等数据,运用相似材料模拟试验对含厚顶板的上覆岩层在工作面推进过程中的矿压规律进行分析。研究表明:厚顶初次来压步距长,破断时动压现象非常明显;厚顶的破断对上覆岩层的破断起到控制作用,破断后,上覆岩层与厚顶保持同步协调运动。随着工作面向前推进,在工作面前方煤壁形成支承压应力增高区;在采场上方靠近煤层的顶板中,形成拉应力增高区,导致顶板产生拉伸破坏;工作面前后方剪应力呈中心对称分布,并在前后方煤壁上端形成压剪破坏。     

复合顶板巷道组合三铰拱断裂形成的力学机理

为了揭示软弱夹层引起顶板分阶段破坏的力学机理,采用数值模拟的方法揭示含软弱夹层(煤线)的复合顶板巷道变形和破断规律,通过建立巷道复合顶板破断结构模型,确定复合顶板断裂的力学条件,并通过现场探测进行验证。研究表明:复合顶板中软弱夹层的破坏是致使顶板变形和破断的主要因素,复合顶板变形破坏过程大致可分为"嵌固梁形成→叠加组合梁形成→组合三铰拱形成"3个阶段;当复合顶板各岩层的屈服跨距小于等于巷道实际跨度时,复合顶板将破断形成组合三铰拱结构。     

济三煤矿6303工作面巷帮冲击矿压机理研究

老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层顶板容易聚积大量的弹性能,破断或滑移失稳过程中,大量的弹性能突然释放,形成强烈震动,导致冲击地压的发生。如果底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层,更具冲击危险性。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。     

多软弱夹层的巷道顶板稳定特性及支护设计

建立了多层软弱夹层条件下巷道坚硬层状复合顶板的力学模型,分析了其结构特征、离层破坏机理及判据,基于关键层理论、组合梁理论和悬吊理论的基本原理提出了巷道顶板锚固支护参数的计算方法。研究表明:含多个软弱夹层的坚硬复合顶板由于顶板岩层的离层导致顶板刚度降低从而致使顶板下沉、破裂、冒落;顶板岩层的离层状况主要由各层的弯曲挠度的差异性所决定;通过锚杆形成的顶板组合梁需要具备足够的组合强度,否则很容易和老顶发生离层并造成岩梁两端发生弯曲断裂或剪切破坏而形成简支梁结构,最终使岩梁失稳冒落;合理的顶板锚固参数尤其是预紧力设计对于控制巷道顶板岩层的失稳作用明显。     

坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析

顶板岩层结构,特别是煤层上方坚硬厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一。通过实验研究、现场实测、冲击矿压现象分析,说明了顶板坚硬岩层,特别是顶板的关键层运动、破断对冲击矿压的发生有巨大的影响。掌握顶板的运动规律,并对其进行监测,可达到预测预报冲击矿压危险的目的     

沿空留巷围岩结构稳定性力学分析

以往对沿空留巷围岩结构特征了解不够,难以准确计算巷旁支护阻力,导致沿空留巷困难甚至失败。因此,根据沿空留巷上覆岩层垮断特征,提出了"大结构"、"小结构"概念,分别构建了围岩"大结构"、"小结构"力学模型,研究分析了"大结构"形成"低形态拱"和"高形态拱"的条件,推导出了拱高计算式,研究认为:在巷旁顶板岩层残留边界二次破断前,若及时加固煤帮,提高巷内和巷旁支护阻力,则上覆岩层易形成"低形态拱";若巷道煤帮松软,或巷道支护阻力不足,则易形成"高形态拱"。通过研究拱脚的水平力对"大结构"形态演化及其稳定性影响,发现拱脚处的水平力是造成拱破坏的主要原因,若拱脚处的水平力大于其抗剪力,拱将失稳破坏,造成"低形态拱"的拱高增加或"高形态拱"的跨度向外扩展,引起"小结构"的岩层载荷增加,"小结构"的岩层载荷不仅与"大结构"的形态、拱高和跨度相关,而且与二次破断区顶板"铰接岩层"的稳定性密切相关,根据关键层理论,确定"大结构"拱高范围内顶板硬岩层位置及其所控制的软岩层组,采用滑落失稳判据和挤压变形失稳判据,自上而下判别出顶板"铰接岩层"的稳定性,进而确定围岩"小结构"的岩层载荷,据此推导出巷旁支护阻力计算式。     

坚硬顶板岩层水力压裂可行性探究

为减轻采用爆破技术在坚硬顶板岩层强制放顶时对矿井安全高效生产的制约,以理论分析与数值模拟相结合的方法,开展了坚硬顶板岩层水力压裂的可行性分析。以榆神矿区某矿为研究对象,基于周向拉应力准则建立了裂缝前缘坐标系,并采用有限元软件ABAQUS进行了数值模拟分析。结果表明在水平孔沿应力方向逐渐变化的过程中,使裂缝张开的压力值保持不变;随着σh/σH的减小,裂缝开启所需压力均有增大趋势;随着σv/σH的减小,裂缝开启所需压力则有减小趋势。     

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式

冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈"一横五纵"6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成"门式"震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了"顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆"强力联控支护对策。     

基载比对薄基岩厚表土煤层工作面矿压的影响

为研究薄基岩厚表土煤层工作面矿压显现规律,以李家豪煤矿为背景,对工作面基本顶结构进行了稳定性分析,并运用数值模拟软件UDEC对工作面在不同基载比条件下的矿压显现规律进行分析,结合工作面现场实测数据,分别提出依据岩块块度i和基载比判断工作面基本顶结构的稳定性。分析认为,基本顶初次破断后岩块的三铰拱结构及触矸后的单斜结构在煤壁处发生滑落失稳区域的块度范围为0.40≤i≤1.57;基载比小于0.9时,覆岩在初次来压与周期来压时易发生滑落失稳现象;薄基岩厚表土煤层关键层出现滑动失稳破坏,工作面来压时对于煤壁前方的应力影响区域不大;薄基岩厚表土煤层工作面来压时主要特征为顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉,工作面支架动载明显。     

巨厚坚硬顶板变形及垮落的动态演化特征研究

义马煤田赋存一层巨厚坚硬岩层,是矿区诸多动力灾害的主要诱因。本文以义马煤田千秋矿21221工作面为工程背景,开展了顶板岩层冲击倾向性的实验测定,采用相似模拟和数值分析方法研究了工作面回采过程中巨厚坚硬顶板运动特征,分析了巨厚坚硬顶板垮落垂直位移动态演化规律,建立了采动应力分布与顶板运移的关系。研究结果表明:巨厚坚硬顶板破断过程可分为初始平静期、稳定运动期和整体垮落期三个阶段; 顶板垂直位移量在初始平静期变化小,稳定运动期基本集中在采空区,向上呈现梯形递减趋势,整体垮落期则急剧向上发展。巨厚坚硬顶板运动呈现离层、瞬间下沉、离层闭合、间歇性稳定、瞬间垮落压实的非稳定动态变化现象。在工作面回采过程中,巨厚坚硬岩层变形和运动对采场施加了持续且不稳定的下沉压力,其结构失稳导致采场矿压发生强突变和采动应力突降,是冲击地压发生的重要诱因。     

采场顶板关键层"横U-Y"型周期破断特征的试验研究

针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8~15倍采高的高位关键层,"横O-X"破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100~200 m底鼓大变形等动力灾害的问题,采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台,研究高位关键层的破断运动特征。结果表明:关键层发生横向破断时,首先,关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙;其次,关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙,而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙;再次,在板正面形成"O"形裂隙的同时反面形成"X"形裂隙,正面形成"U"形裂隙的同时反面形成"Y"形裂隙;最后,正反面裂缝贯通形成"横O-X"型初次破断和"横U-Y"型周期破断,在工作面上方形成"弧形三角板"和巷道上方形成"梯形板"的破断块体结构。统计发现,"横O-X"型初次破断步距与"横U-Y"型周期破断步距长度基本一致;横向破断形成的"弧形三角板"块体角度为75°~78°,与腰线和弧形切线形成的夹角72°~82°基本相等,近似于一个等角的"弧形三角板"。砌块模型试验结果表明,"弧形三角板"块体大幅回转过程中,因其顶点易与"梯形板"结构发生回转变形失稳而出现脱离现象,导致"弧形三角板"滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。     

采场上覆巨厚坚硬岩浆岩致灾机理与防控措施

为控制巨厚坚硬覆岩导致的采场矿压灾害,采用物理模拟、理论分析与数值模拟方法,研究采场上方厚约100 m岩浆岩的变形破坏特征及对采场围岩应力分布的影响,并分析其引发采场矿压事故的力学机理与显现形式。研究表明：巨厚岩浆岩与煤层间距较小时,可采用两端固支梁模型计算岩浆岩的破断垮距,间距较大时,采用薄板理论计算岩浆岩的极限挠度,并根据自由下沉空间确定其是否破断与破断步距;岩浆岩处于弯曲下沉带时,给工作面带来冲击矿压隐患,处于断裂带时,给工作面带来冲击矿压和大面积来压双重隐患。实践证明,巨厚坚硬岩浆岩下开采,可采取加强支护质量监测与提高工作面推进速度的方法,辅以坚硬顶板强度弱化手段消除冲击矿压和顶板强来压显现事故。     

浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究

为分析伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征,进行了相似材料模拟研究。分析了直接顶破坏、老顶破坏、采动覆岩破坏高度发展等规律,并进行了切顶冒落分析。研究结果表明,首采工作面具有采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大,采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半等规律。试验过程和理论计算均未出现切顶冒落现象。研究结果可为矿区首采工作面煤层安全开采提供理论依据,同时,对分析其他浅埋煤层安全开采覆岩运动规律具有一定的借鉴意义。     

厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂机制研究现状与展望

我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顸板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害.该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害,是一种新型的采场顶板灾害.由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大,对安全生产带来严重威胁,致使如何有效防控灾害的...