硬厚岩层破断规律研究

以某矿10202工作面为工程背景,通过理论分析,建立硬厚岩层梁式破断力学结构模型,分析了工作面在推采过程中,硬厚岩层破断的力学机理,并利用UDEC建立二维离散元模型,研究硬厚岩层破断规律,揭示硬厚岩层在不同厚度下初次破断步距的变化情况。     

采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下,煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响,建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型,得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征,以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象,利用自行设计的高位岩层模拟加载装置,借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法,对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制,建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明:高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中,高低位厚硬岩层不同的破断位置组合,对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关,煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱,区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况,当低位破断点处于高位破断点以内,低位顶板随高位顶板破断1次,反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断,采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小,区段煤柱稳定性下降,冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。     

高位硬厚岩层采动覆岩结构演化特征及致灾规律

针对工作面赋存高位硬厚岩层的地层条件,采用相似材料模拟试验方法,制作了工作面上覆单层和两层高位硬厚岩浆岩的相似模型,研究了开采过程中的覆岩结构及其演化特征;通过力学理论分析,揭示了上覆岩层的破断规律及覆岩结构的形成机制;分析了典型采动覆岩结构的致灾规律,并采用工程实例进行验证。研究结果表明:单层硬厚岩层初次破断前、周期破断阶段分别形成"梯"型、"Γ"型覆岩结构;两层硬厚岩层条件下,下位硬厚岩层破断前形成"梯"型覆岩结构,上位硬厚岩层破断前后分别形成"梯-Γ"型复合覆岩结构、"F"型覆岩结构;工作面上覆岩层破断角α在(45°,90°)区间内,破断迹线总是与岩层层面成一定夹角。高位硬厚岩层条件下集中应力高、积聚能量大,易诱发静载型动力灾害;"梯"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害及离层水(气)突涌现象;"Γ"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害,但不易发生离层水或瓦斯突涌。     

高位硬厚关键层下开采弹性能分布研究

高位硬厚关键层下开采弹性能异常集中,采用数值模拟的方法研究了上覆硬厚关键层条件下弹性能分布特征,并分析了硬厚岩层不同厚度下弹性能分布特征。研究表明:受硬厚岩层的影响,工作面在开采过程中,煤壁前方以及煤壁前方硬厚岩层底部煤岩体处于高能量状态,易发生高能量微震事件;硬厚岩层破断过程中,释放大量的能量,造成煤岩体积聚的能量突然增大;在动力扰动作用下,造成煤岩体强烈震动,容易诱发矿震、冲击地压、压架、煤与瓦斯突出、离层水等重大动力灾害。随着硬厚岩层厚度的增加,破断前后煤壁前方的能量集中程度逐渐减小,硬厚岩层底部煤岩体能量集中范围增加。     

硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾机理分析

针对上覆岩层赋存硬厚岩层，采用相似材料模拟试验的方法，制作了工作面上覆硬厚岩层的相似模型，研究了硬厚岩层下覆岩结构和裂隙演化特征，分析了硬厚岩层破断致灾成因。研究结果表明，工作面推进后，上覆岩层走向断面上逐渐形成梯形结构，硬厚岩层的存在屏蔽了梯形结构的纵向发育|硬厚岩层下最大离层裂隙发育呈跳跃式上升，占据了煤层开采的大部分空间，为瓦斯积聚创造了空间|破断裂隙和离层裂隙相互贯通，在工作面侧和切眼侧的形成了双向互通的竖向破断裂隙区，为瓦斯运移提供了路径。开采煤层附近释放的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入上覆岩层最大离层裂隙，最终积聚在占据了煤层开采大部分空间的硬厚岩层下最大离层裂隙。硬厚岩层破断后瓦斯空间急剧减小，瓦斯压力快速上升，瓦斯经两侧竖向破断裂隙区涌向工作面，易诱发瓦斯突涌等灾害。     

远场高位厚硬岩层破断运动机理及响应规律研究

掌握远场高位厚硬岩层破断运动规律对于地表剧烈沉降、强矿震等灾害安全防控具有重要作用。以营盘壕煤矿2201、2202工作面为研究背景，建立远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论分析白垩系砂岩组破断运动规律及其影响因素，并通过地表沉陷、微震响应规律进行验证分析。得出如下结论：(1)针对白垩系砂岩距煤层远、厚度大、整体性好的赋存特征，建立了远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论解算出了高位厚硬岩层初次破断临界力学条件。(2)随着抗拉强度增大，厚硬岩层破断悬露长度依次呈现缓慢增长、线性增长和指数型增长特征；随岩层厚度增大，厚硬岩层破断悬露长度近似呈现指数型增长；随着倾向悬露长度（工作面宽度）增大，厚硬岩层破断悬露长度呈现先增大后逐步减小的变化趋势。(3)营盘壕煤矿2201工作面推采过程中，厚硬岩层不会发生破断；当2202工作面推采至960 m左右时发生竖向“O-X”破断；随着工作面继续推进约188 m，厚硬岩层将发生周期性破断。(4)地表沉陷监测结果表明，2201工作面推采期间地表沉降值整体较小且无较大变化，以小能量微震事件为主；2202工作面推采期间地表下沉依次经历了...     

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。     

硬厚岩层破断机理薄板分析及控制技术

以某矿1007工作面直接顶缺失上覆硬厚砂岩岩层条件为工程背景,建立了硬厚岩层两临边固支一边简支一边自由薄板力学模型,研究了薄板应力分布特征,得到了直接顶缺失一侧采空硬厚岩层破断步距计算公式。薄板拉应力最大点在倾向固支边(x=0,y=13b/10π)处和走向固支边与自由边交角点(x=a,y=b)处,实际应力最大点位置受覆岩悬跨系数k影响。对双层硬厚砂岩岩层实施下位硬厚岩层旋转扇形深孔预裂弱化和上位硬厚岩层拉槽截断深孔爆破综合弱化技术,上位硬厚岩层运动步距降低25.7%,下位硬厚岩层实现由基本顶向直接顶的转化,降低了工作面因大面积悬露顶板突然运动引燃隅角积聚瓦斯的风险。     

上覆硬厚岩层破断规律的机械模拟实验研究

采用机械模拟试验方法,研究了硬厚岩层破断时的支承应力及覆岩运移。研究表明:硬厚岩层强度高、破断扰度大,作为主关键层控制其上覆岩层运动,破断前积聚大量弹性能,在采空区边缘形成较高的应力集中区,破断后能量瞬间释放,且在短时间内迅速下沉,极易造成压架和围岩大变形等问题,诱发冲击地压,需加强破断前后支护。     

深部厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理及可压裂性评价

为了探究深部厚硬岩层对冲击地压的影响以及分析岩层的可压裂性,提出了采用地面水平井压裂技术对采场上覆厚硬岩层进行压裂控制,通过改变厚硬岩层的破断特征,达到降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,并通过试验分析,得到上覆厚硬岩层的脆性系数、脆性矿物含量、黏土矿物含量、成岩作用等参数,综合定量评价厚硬岩层的可压裂性大小.研究结...     

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。     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。     

厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治

针对呼吉尔特矿区厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压现象,通过现场实测和数值模拟,分析了宽煤柱垂直应力分布特征,通过理论分析,揭示了宽煤柱发生冲击的结构条件;基于冲击地压"三因素"机理,研究了宽煤柱诱发冲击地压机理:在侧向支承压力和工作面采动应力叠加影响下,具有冲击倾向性的宽煤柱应力高度集中,当其达到极限强度发生卸载时,由于煤柱体刚度与顶板岩层刚度相近,造成煤体运动速率很大,呈现冲击地压显现。在此基础上,提出了小煤柱护巷和断顶爆破等措施降低煤柱应力、采用大直径钻孔卸压和煤层注水等措施改变煤体刚度的防治策略,针对311103工作面提出了采取断顶爆破和大直径钻孔的组合防治方法,宽煤柱应力集中程度出现明显降低,防治效果较为显著。     

厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明:在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期,围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层;邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征;由于厚硬顶板的存在,随工作面推进距离的增大,煤壁挤出位移量逐渐增大,煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征,结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式,一是以“片帮-冒顶”为主导,诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害,二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制,采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术,控制厚硬顶板运动;采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施,防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒,保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现,11513工作面采取系列防治措施后,煤壁得到有效控制,初次来压时,支架工作阻力较为富裕,安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象,实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。     

厚硬顶板宽煤柱工作面过老巷冲击地压防治技术研究

针对厚硬顶板宽煤柱过老巷冲击地压易发生、难防治问题,以文家坡煤矿4105工作面为例,利用数值模拟,研究分析了工作面在厚硬顶板以及宽煤柱条件下过老巷期间的围岩应力分布特征,分析其冲击危险性,并提出针对性防治技术方案。结果表明:在推进过程中临界煤柱容易聚集大量弹性能,增加冲击危险性,且由于原切眼的存在,使工作面在过老巷期间应力分布更为复杂,原切眼区域更容易诱发冲击地压事故,原有冲击地压防治技术方案强度明显不足。因此,针对工作面过老巷期间由于应力集中、原卸压方案强度不足问题,在原有卸压方案基础上,针对性地提出过老巷冲击地压防治技术。经实践,在工作面过老巷期间,工作面来压步距明显缩短,支架工阻下降明显,防治效果显著。     

采动覆岩隔水层稳定性力学模型及应用研究

为了研究覆岩隔水层的稳定性,预防煤矿顶板突水灾害,实现保水采煤,本文将单一岩层形成的顶板隔水层简化为地基上四边固支的薄板,考虑了隔水层以下破碎岩体对隔水层的支撑作用,根据能量法推导了其挠度以及应力表达式,得到了覆岩隔水层应力分布特性,求出了临界载荷随工作面推进距离的变化规律,并结合具体工程实例,利用数值模拟软件进行了覆岩隔水层稳定性分析。研究结果表明:1)煤层开采后,覆岩隔水层在长边边缘中间应力最大,容易发生破坏;2)破碎岩体的支撑作用对隔水层的稳定性具有重要的影响,煤层采厚越小,破碎岩体对覆岩隔水的支撑作用越强,隔水层越不容易破断。研究成果可为煤矿顶板防治水研究以及保水采煤实践提供一定的参考。     

大采高工作面近距离双坚硬岩层强矿压控制研究

针对大采高上覆近距离双坚硬岩层破断引起大采高工作面强矿压显现问题。以母杜柴登煤矿30201工作面为研究背景，通过对近距离双坚硬顶板岩层破断后的覆岩结构模型进行分析，认为大采高工作面近距离第I坚硬岩层是诱发工作面强矿压显现的关键。借助水力压裂技术处理第I坚硬岩层，控制其形成“悬臂”结构的悬露长度和完整性，不仅能够降低“悬臂梁”失稳时的能量等级，同时改变上位“铰接结构”失稳时动载荷的传力效应，从而达到降低工作面矿压显现强度的目的。采用微震监测技术对卸压效果进行检验，微震系统监测结果显示弱化处理后，工作面的微震能量和频次均大幅降低，表明卸压措施能有效控制工作面强矿压的显现。     

宽沟煤矿坚硬厚层顶板下冲击地压危险时期的微震特征及解危措施

针对某矿坚硬厚层顶板条件下采煤工作面发生的冲击地压灾害,分析了灾害发生的原因并提出了防治原则。采用数值模拟和物探方法确定了工作面在3面采空条件下的冲击地压危险时期和危险区域。冲击地压危险时期的微震监测结果表明：围岩破坏高度比非危险时期显著增大,围岩震动呈现出高能量和低频次的特征,工作面推进度宜控制在3.2 m/d以内。在冲击地压危险时期采取了工作面架间切顶爆破的措施,经电磁辐射和微震监测检验,有效降低了工作面前方煤体应力,取得了较好的解危效果,保证了工作面在冲击地压危险时期的安全。     

超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系

针对金鸡滩煤矿坚硬厚煤层赋存条件,提出了8.2 m超大采高一次采全厚开采方法,分析了超大采高工作面液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系及控制方法,研制了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架及新结构。基于液压支架与围岩耦合作用关系,采用理论分析与数值模拟方法研究了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法;通过建立脆性坚硬厚煤层煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,得出了控制煤壁片帮发生滑移失稳的液压支架临界护帮力;分析了销轴铰接间隙对超大采高液压支架稳定性的影响及控制方法。通过创新研制大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,保证了超大采高液压支架与围岩系统的稳定性控制。