高位硬厚岩层破断规律力学分析与数值模拟研究

以杨柳矿10416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。研究结果表明:硬厚岩层初次破断步距与其最大拉应力、硬厚岩层厚度、煤层与硬厚岩层之间的岩层厚度正相关,与其上覆载荷、岩层移动角负相关。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

巨厚岩层下重复采动采场支承压力分布规律数值分析

以鲍店煤矿10采区为背景,利用UDEC数值软件,研究高位硬厚岩层下近距离煤层开采超前支承压力及硬厚岩层底部应力变化规律。结果表明:上煤层开采时,超前支承压力及影响范围在硬厚岩层破断前达到最大值,硬厚岩层破断后,超前支承压力峰值呈周期性变化,变化范围较小,在硬厚岩层底部离层空间两端出现应力集中现象。下煤层开采时,超前支承压力集中程度高于上煤层工作面,在应力峰值外侧未趋于稳定,出现波浪形变化,硬厚岩层底部未形成显著的应力集中现象。     

高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律

针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件,运用相似模拟试验和数值模拟方法,分别研究了硬厚岩层下采场覆岩运动和采动应力演化规律。研究结果表明,工作面上覆岩浆岩时,覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断、基本顸周期破断、岩浆岩初次破断和岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表);硬厚岩浆岩破断前,随着工作面的不断推进,煤体支承压力不断增加;硬厚岩浆岩破断后,采场支承压力要小于破断前。