孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:① 采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;② 受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;③ 充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;④ 决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。     

采空区充填控制巨厚火成岩下动力灾害的数值模拟

以某矿1022工作面为工程背景,利用UDEC建立二维离散元模型,模拟分析了工作面充填开采与未充填开采相比减小地表下沉,降低采空区两侧煤体集中应力的效果。研究结果表明:采用充填开采时,多个支撑点对上覆岩层载荷进行支撑,顶板的挠度值减小,巨厚火成岩弯曲下沉量减小;采空区两侧煤体受到的集中应力降低,应力集中系数减小,采用充填开采可有效地控制上覆岩层运动,降低因采动影响巨厚火成岩突然发生破断引起的动力灾害。     

复合顶板条件下充填法开采数值模拟研究

为研究充填法开采对复合顶板受力及变形规律的影响,运用三维模拟软件3DEC进行数值计算,建立了数值计算模型,采用4种不同的充填方案,从顶板岩层应力分布和顶板岩层位移分布两方面分析了不同充填条件下复合顶板的受力及变形规律。研究表明充填开采后采空区的应力较大,充填体承担了工作面前方煤体的较大部分支承压力,有效控制地表沉陷,进而减轻对煤巷的破坏。     

充填采煤法控制地表下沉数值模拟

以某矿12418工作面为工程背景,通过理论分析,建立"煤柱-充填体-煤壁"力学结构模型,分析了采空区充填后,充填体与围岩之间的相互作用关系。并利用UDEC建立二维离散元模型,模拟分析了工作面充填法开采与垮落法开采相比减小地表下沉的效果。结果表明:采用充填开采时,多个支撑点对上覆岩层载荷进行支撑,顶板的挠度值减小;地表最大下沉系数小,顶板未发生台阶失稳,采用充填开采可有效的控制上覆岩层运动,缓解地表下沉,保护地表建筑物。     

固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动影响分析

通过建立计算机数值模型模拟固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动规律,观测不同工作面推进距离上覆岩层移动特征,对比长壁开采与充填开采关键层移动,分析充填开采关键层运动与上覆岩层移动特征。由于采空区被矸石和粉煤灰等材料所充填,充填工作面矿压显现和上覆岩层移动规律与一般垮落法管理顶板明显不同。研究表明：胶结充填开采工作面周期来压步距大,来压强度不明显;关键岩层弯曲下沉,不会出现岩层破断现象。上覆岩层移动范围明显减小,对地表变形能有效控制。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

煤矿胶结充填开采覆岩移动变形规律数值分析

为分析煤矿胶结充填开采上覆岩层移动变形规律,以新阳矿十采区为工程背景,应用FLAC3D数值软件进行了模拟研究,分析了在不同充填率条件下,在一个回采空间内形成的"煤壁-顶板-充填体"的小结构和多个平行工作面形成的"煤柱-顶板岩层-充填体"的大结构上覆岩层的受力和变形情况。研究结果表明:在单工作面区域内,工作面前方出现增压区,在充填体侧出现减压区,随着充填率的增加,覆岩的移动变形量减小,充填体和工作面前方煤体的支承压力变小;在多个平行工作面区域内,基本顶在煤层倾斜方向上发生了连续弯曲下沉,基本顶的最大下沉量发生在各工作面中点位置;基本顶最大下沉量随充填率的增加而明显减小。     

厚冲积层下带沟状煤体顶板控制分析与实践

文章应用"铰接体"的理论分析了"带沟状煤体"顶板的运动规律,认识到使用部分充填法管理顶板,可确保工作面直接顶板内的"铰接体"平衡结构的尽快形成,有利于厚冲击层注浆形成隔离层,提高了开采上限。     

厚煤层一次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理与防治

基于某矿31103工作面煤层及顶板的基本参数,结合该工作面已发生冲击事件,发现低位厚硬岩层垮落是该矿发生冲击地压的主要原因。为此,以防治低位厚硬岩层垮落诱发冲击地压为目的,选取该矿31103回采工作面顶板垮落控制为工程背景,采用现场调研、理论分析等方法,研究了厚煤层一次采全高低位顶板支托层与随动层的运动规律,建立了采空区侧向支承压力力学计算模型,揭示了低位厚硬岩层垮落诱冲机理。所获主要结论：(1)确定了工作面低位顶板岩层的基本参数,并计算得出了工作面低位岩层中较厚的协同垮落岩层。在工作面开采过程中,随动层随支托层运动发生同步变形,当工作面顶板发生大面积悬顶垮落时容易造成大能量动力现象;(2)建立了采空区侧向支承压力力学计算模型,得到了采空区侧向支承压力峰值位置距采空区边缘约为45 m,影响范围约为90 m,支承压力峰值约为55 MPa, 31103工作面回风巷处于采空区侧向高支承压力影响范围。在工作面开采过程中,回风巷围岩应力已达到发生冲击地压的应力水平;(3)揭示了低位厚硬岩层垮落致冲机理：采空区侧向支承压力形成的高应力静载是主要冲击力源,回采工作面厚硬支托层与其随动层同时垮落造成的...     

厚冲积层下带沟状煤体顶板控制分析与实践

文章应用“铰接体”的理论分析了“带沟状煤体”顶板的运动规律，认识到使用部分充填法管理顶板，可确保工作面直接顶板内的“铰接体”平衡结构的尽快形成，有利于厚冲击层注浆形成隔离层，提高了开采上限。     

榆神矿区工作面稳定难垮岩层水力预裂控制技术及应用

基于水力压裂裂缝计算力学模型与矿井水力压裂煤岩体改性技术工艺,开展稳定难垮岩层水力预裂弱化治理技术研究,并在榆神矿区进行应用。分析榆神矿区稳定难垮岩层特点,通过工作面回采前预先压裂弱化顶板岩层,减小工作面初次和周期来压步距,降低工作面采空区顶板来压显现程度,有助于防止工作面煤体片帮、减小支架工作阻力和巷道变形。井下实践表明,水力预裂是工作面稳定难垮顶板弱化安全、绿色的技术手段,采空区顶板能够分层次逐步、及时垮落,解决了综采面采空区顶板控制问题,提升矿井工作面顶板管理水平。     

超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

为研究充填工作面长度对岩层控制效果的影响,指导长壁工作面充填开采实践和为围岩变形控制提供依据,基于超高水材料的基本性能试验,利用差分法薄板理论建立了超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型,得到关键层的预计变形量,分析充填工作面长度对关键层变形及破坏的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制理念。研究结果表明:采空区顶板下沉最大挠度值随着工作面长度的增加而增加;要维持关键层不发生断裂,必须保证工作面长度和控顶长度在一定范围内。对比冀中能源陶一煤矿充1~5工作面(工作面长度50~60 m)和充6工作面(工作面长度120 m)充填开采实际情况,提出并应用地面充填系统构建、充填液面提高、隔离带设置、工作面锚网索支护4种长壁工作面顶板控制技术,有效地抑制了顶板变形,同时保证了良好的充填效果。     

膏体充填开采条带煤柱覆岩运移规律研究

以山东济宁淄博矿业集团岱庄煤矿2351充填工作面为研究对象,采取数值模拟、地层力学模型分析、相似实验及现场观测等多种方法,对该工作面在膏体充填开采过程中影响工作面顶板下沉的主要因素、膏体充填体应力应变增长特性及充填率与上覆岩层裂隙发育度的相关关系进行了研究,得出了岱庄煤矿2351膏体充填面在开采过程中的顶板覆岩、充填体受力变形规律,为膏体充填法回收条带垮落法遗留煤柱提供了理论依据。     

急倾斜走向分段充填顶板初次断裂应力分布规律

根据急倾斜煤层综采走向分段充填开采采空区下部自然冒落矸石和充填柱体布置特点,利用弹性薄板理论建立了急倾斜综采走向分段充填的力学模型,推导了顶板在上覆岩层、自然冒落矸石和采空区分段充填共同作用下的变形挠曲方程。以湘永煤矿2463工作面为背景,分析了顶板应力分布及演化规律。结果显示:(1)顶板产生应力集中和最大不均衡力均出现在工作面中上部位置,说明工作面顶板应从中上部位置最开始变形破坏;(2)在不同充填比条件下,采空区分段充填比越大,顶板受力就越大,挠度反而越小;(3)顶板应力平均值随着充填体强度和煤层倾角的增大而增大,而剪切应力平均值却是随着充填强度的增大而减小,剪切应力随着煤层倾角增大而增大。充填体强度越大对改善顶板受力状态的作用也越大;而煤层倾角越大,顶板的应力和剪切应力值增大,且分布更为不均。利用FLAC3D进行数值模拟得到的应力分布结果与通过挠曲方程得出的应力分布与演化结果基本一致。     

基于薄板理论的急倾斜工作面顶板初次变形破断特征研究

根据急倾斜煤层工作面顶底板地质赋存条件以及冒落矸石对工作面中下部采空区的充填特征,利用弹性薄板小挠度理论,建立了急倾斜工作面顶板的受力力学模型,研究了顶板在上覆岩层和下方充填矸石作用下顶板挠曲变形特征,得到急倾斜工作面下部采空区充填带宽度的理论计算公式和顶板变形挠度方程,结合龙煤集团七台河新铁煤矿工作面实际开采参数,分析出急倾斜工作面中上部顶板受力变形较大,下部顶板变形较小,最大挠度点距工作面上端头24 m处,最大变形量为320 mm,工作面中上部前方煤壁和后方煤壁处、上部顶板和中下部冒落矸石接触处将首先出现拉伸或剪切破坏,最后将形成"U"字型破断。研究结果与实际顶板受力变形相符。     

建筑物下超高水材料充填体稳定性研究

针对建筑物下3603超高水材料充填开采工作面,经在采空区内布置顶板变形仪和压力传感器,对充填体进行监测研究,得出超高水充填体在工作面中部压缩变形量和应力比端部高;充填体压缩变形量及应力随工作面的向前推进而增加,且在初期总体上均呈线性关系,达一定距离后,逐渐趋于稳定;超高水充填体能有效控制顶板下沉,减缓上覆岩层向下移动,能对地表变形起到很好的控制作用。     

条带充填置换开采围岩变形及承压水导升规律

条带充填置换开采有效的缓解了我国东部煤炭资源日益减少的困境。为了量化分析条带充填置换开采对工作面围岩变形及承压水导水的控制作用,本文结合现场监测与理论分析开展对比试验。结果表明:条带充填置换开采工作面上覆岩层开采扰动最大高度15 m,较不充填开采减少2.3~13.5 m,有效控制上覆岩层运动;条带充填置换开采工作面底板破坏深度为10 m,较不充填开采减少0.65 m,充填对底板破坏控制作用不明显,充填置换开采过程中应加强底板承压水突水前兆信息监测及防治措施。将充填体压缩量划分为顶板沉降量与底板底鼓量,直接顶与直接底以挠曲变形为主,条带充填体有效地控制围岩变形破坏;依据"下三带"理论与突水系数法,保护层带突水系数小于0.06 MPa/m,底板徐灰承压水得到有效控制,保证煤矿安全开采。     

神角煤业超前预裂爆破切顶工程实践

在工作面回采后,为减小顶板对保护煤柱的作用力,降低回采扰动应力对该区煤体的结构性损伤,通过采取预裂爆破切顶技术,切断相邻未回采的煤体覆岩与采空区上覆岩层的应力传递,降低回采扰动应力对相邻未回采煤体的结构性损伤,为回收煤柱工作面的安全高效生产创造条件。     

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。     

新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击 失稳规律分析

随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道"三载荷"动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受"三载荷"叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道"顶—帮—底"传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了"切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固"的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称"T"型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称"T"型结构,两组亚关键层均破断,邻空巷道围岩所受静载及扰动动载均较大,此时易诱发邻空巷道冲击失稳。