深部残采区域下冲击危险易突出煤层开采的相似模拟试验

针对深部残采区域下伏煤层工作面的安全开采问题,采用相似模拟试验的方法,通过监测残采区域形成过程中及稳定后下伏煤层应力变化情况,分析应力变化规律,根据应力卸压准则确定了残采区域的走向和倾向的卸压角及保护范围。试验结果表明,残采区域下伏煤层工作面开采过程中上覆岩层运动经历了“正常-剧烈-缓和-剧烈-正常”5个阶段和2次瞬时大面积整体失稳,工作面进风巷位于高应力集中区域内;在工作面走向方向上存在2处危险区域,结合应力观测数据划定了2处危险区域的范围。该研究工作为制定残采区域下伏煤层工作面防冲、防突安全措施提供了可靠的基础数据。     

大倾角极复杂煤层采煤方法研究

 黄兰矿区属典型的急倾斜“鸡窝状”极复杂煤层,煤层在走向和倾向上均变化很大,在厚度和倾角上也变化很大,赋存极不稳定。煤层一般在走向或倾向方向上30m内就会有变化,厚度由可采到不可采甚至尖灭状况,角度变化甚至出现倒转现象,而且相对稳定的主采煤层也很难有在100m内不发生变化的情况。本文针对此复杂条件下,提出“先探后采,采探结合”的开采理念,通过优化巷道布置及通风路线优化设计,开发出三种适于这类大倾角极不稳定“鸡窝状”煤层的开采方法,解决了此条件下大倾角煤层的安全开采问题,为具有南方特色的煤矿开辟了新路子。     

良庄煤矿上保护层开采卸压机理与保护范围数值模拟研究

以良庄煤矿3213、3214上保护层工作面为工程背景,研究分析了上保护煤层开采卸压机理,为确定上保护煤层开采后下部保护范围,运用FLAC3D数值模拟软件模拟了实际地质条件下保护层开采行为。研究表明：随上保护层开采范围的增加,底板一定范围内的煤岩层在采空区内部呈现卸压,卸压区内卸压效果明显,卸压范围逐渐增大,应力分布由“V”型分布逐渐变为“U”型分布,但边界处应力集中情况逐渐增大,应力峰值与范围增加。通过综合经验法和卸压准则判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面内错3214切眼位置19 m,停采线位置内错19 m,运煤巷内错17 m。     

浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象，采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后，只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时，房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关，房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳，且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏，而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示，上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力2.8 MPa增大至12 MPa，应力集中系数为4.28;当下部3-1煤层工作面采后，上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa，应力集中系数达10.71;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现垂向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，是导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式的主因。两侧边界煤柱失稳后，其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震，顶板多层岩层以“整体运动”的形式急剧快速下沉并撞击底板，将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌，同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落，造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定，历时仅约为0.45 s，其中，上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0.05 s。     

厚冲积层急倾斜煤层群开采重复采动下的开采沉陷

针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用求解非线性大变形问题有限差分法 (FLAC)，对不同开采方案所引起的岩体移动和地表沉陷进行了研究；实验表明，煤层区段间正台阶顺序开采较为有利.区段间相互影响小，地表受采动损害小，有利于巷道布置.运用实验室相似模型试验方法对煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，发现地表处出现了水平移动的“指向异化”；而岩层土与表土层界面处出现了水平移动指向上山方向“指向同化”.综合模型试验和数值模拟的结果，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数.     

蒙西深部复合水体下高强度安全疏控水开采技术

针对蒙西矿区纳林河二号矿井开采深度大,主采煤层受多层含水层威胁、开采强度大的特点,在确定该矿区水害威胁类型的基础上,采用数值模拟、物理相似模拟和经验类比的方法研究了主采煤层覆岩破坏高度,分析了各含水层的充水规律,提出了复合水体下安全“疏控水”技术方案。研究结果表明：蒙西矿区开采主要防治水问题是复合水体威胁下安全采煤;预计得到纳林河二号矿井3-1煤开采垮落带高度按照垮采比4.5倍选取,裂采比按照15倍选取;提出的复合水体下“疏控水”采煤的总体方案为对于白垩系志丹群含水层采取“顶水开采”的方案,对于直罗组底部砂岩含水层采取“边回采边疏降”的控水方案,对于延安组含水层则采取“钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、先疏后采与边疏边采相结合”的疏水方案。     

大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析

基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践,结合理论分析、相似材料模拟实验、多元数值仿真技术结果,建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为,采场围岩具有非对称应力特征,岩层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构,且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式;同时,大倾角煤层采场存在三维“似壳”力学结构,其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。     

逆断层下盘不同采高工作面支承应力演化规律研究

以逆断层下盘不同采高工作面开采为背景,采用UDEC数值模拟方法,研究了下盘工作面向逆断层推进过程中不同采高下支承应力的分布特征及演化规律。研究表明:下盘工作面向逆断层推进过程中,由于逆断层松弛活化产生的阻隔效应,支承应力分布特征发生演化,其峰值呈现先减小后增大的变化趋势,其明显影响范围不断减小。下盘工作面3 m和5 m采高的支承应力演化基本同步,支承应力分布相似;当煤层采高增大为7 m时,受断层采动活化及煤柱的耦合作用影响,支承应力峰值较高,采动影响更为强烈。工作面前方逆断层对支承应力的影响较大,应及时加强工作面及回采巷道支护。     

急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏,严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法,研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征,揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理,并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填,自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段,而工作面中上部区域由于充填不充分,动压现象明显,容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象,支架的工况随之也会变差,成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域,严重影响到工作面的安全高效生产,是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现,在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性,也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑,还可以避免工作面飞矸发生,配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采,有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。     

采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应

基于长壁工作面非对称布置特点,以谢桥矿1151(3)综放工作面地质和开采条件为背景,采用实验室相似材料模拟、计算机数值模拟及理论分析综合方法,研究不同采厚采动裂隙分布及其演化的特征.研究表明,不同采厚覆岩垮落角变化不大,随工作面推进覆岩采动裂隙表现为“∩”型高帽状、前低后高驼峰状、前后基本持平驼峰状、前高后低的驼峰状4阶段演化特征,采动裂隙发育高度呈梯级跃升并逐渐趋于稳定,工作面围岩采动裂隙发育具有非对称性,工作面上部塑性区范围大于工作面中、下部;采动裂隙发育高度、工作面前方塑性区宽度、走向工作面后方围岩塑性区边界与采空区方向的夹角和倾向下山方向围岩塑性区边界与煤层夹角与一次采厚呈非线性正比,采动裂隙发育高度与一次采厚的比值和走向工作面前方围岩塑性区边界与推进方向的夹角与一次采厚成非线性反比,整体揭示了一次采厚变化对采动裂隙分布及其演化特征影响的采厚效应.