采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景,研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析,采用"点-面-区"相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测,确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手,通过调整采动巷道围岩应力环境,人为干预高低位岩层破断位态,增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗,优化巷道围岩支护参数,提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力,并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点,动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际,验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。     

郓城煤矿冲击地压与载荷三带关系研究

以郓城煤矿冲击地压事故为背景,研究了郓城煤矿1300工作面泄水巷冲击地压的致灾机理及防治方法。通过引入"载荷三带"覆岩结构模型,分析了郓城煤矿一采区上覆岩层空间结构及其运动规律,结合微震系统监测结果,验证了工作面回采期间载荷三带岩层的运动及加载特性。建立了"载荷三带"侧向支承压力估算模型,得到了1300工作面侧向支承压力分布规律,估算了工作面回采期间泄水巷煤岩体承受自重应力、构造应力和侧向支承应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力,判断郓城煤矿冲击地压是高地应力和构造应力作用下,厚层坚硬顶板长期运动发生应力积聚从而导致冲击。通过合理设计巷道平面位置避开侧向应力峰值区域、采用适当降低推采速度和合理设计煤层大直径卸压孔参数等措施,可以有效治理该类冲击地压。     

考虑采空区矸石非均匀充填影响的倾斜煤层沿空留巷稳定性分析

倾斜煤层开采后，由于采空区顶板冒落矸石在重力作用下向下运动堆积充填采空区，使得倾斜煤层沿空留巷矿压显现规律与水平煤层不尽相同。为研究倾斜煤层采空区矸石非均匀充填对沿空留巷围岩稳定性的影响，以四川龙门峡南煤矿3131运输巷为工程背景，对采空区垮落矸石充填分区长度进行量化，并采用双屈服模型反演得到采空区矸石分区压实特性参数；并以此为基础建立数值计算模型，重点研究了倾斜煤层沿空留巷全服务周期内围岩应力场环境和塑性区分布形态的演化特征，以及承载状态下巷旁充填体的应力状态和支护性能。研究结果表明：3131工作面采空区的充填压实区、完全充填区以及部分充填区的倾向长度分别为57.20、72.18、10.62 m；对于考虑采空区分区压实特性的倾斜煤层沿空留巷而言，其工作面前方支承压力和采空区残余支承压力沿煤层倾向随深度增加而增大；相比于一次采动，二次采动时工作面前方支承压力峰值和影响范围明显增大，侧向支承压力集中程度也明显提高；留巷阶段采空区垮落带矸石对巷道顶板岩层具有一定的支撑作用，侧向支承压力有明显的应力集中；受重复采动影响，两帮塑性区破坏范围发生顺层扩展现象，且巷道顶板与采空区顶板的塑性区相贯通...     

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。     

厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究

针对厚层软岩顶板沿空留巷的技术难题,提出厚层软岩顶板断顶充填沿空留巷技术,创建"断顶卸压+巷旁垮落充填"沿空留巷围岩协调控制方法,构建厚层软岩断顶充填沿空留巷数值模型,研究断顶角度和预制裂缝间距对实体煤壁支承应力、巷旁垮落充填体稳定性对覆岩变形规律的影响。研究结果表明:断顶角度为5°时,减小了充填体上方岩层回转变形的空间,减小了剪切破坏区,缓解了采空侧顶板下沉剧烈程度;预制裂缝间隔为1 m时,在工作面后方,顶板岩层预制裂缝能及时扩展贯通,在巷旁形成垮落充填结构,采空侧垮落岩体抑制上覆岩层的弯曲下沉,减弱应力集中,压力变化幅度较小。研究成果在常兴煤业取得成功应用,监测结果显示在工作面后方70～80 m处,围岩变形趋于稳定,顶板没有明显离层、错位现象,巷旁垮落充填体结构稳定。     

保护层不对称卸压工作面分区防冲技术

为有效防控保护层不对称卸压工作面冲击地压的发生，以唐山矿0291工作面为工程背景，采用理论分析和数值模拟等方法，分析了工作面发生冲击地压的影响因素及发生区域。结果表明：煤层开采深度、煤层及其顶板的冲击倾向性、上保护层遗留煤柱、本煤层采空区煤柱及厚硬顶板是诱发冲击地压的潜在影响因素;工作面回采前，受上保护层遗留煤柱及本煤层采空区影响，0291工作面两巷应力呈不对称分布，回风巷高应力区主要位于0250采空区切眼及终采线下方，运输巷高应力区主要位于0251采空区切眼下方;工作面回采阶段具有明显的分区特性，回采初期，运输巷围岩超前应力高于回风巷，应加强运输巷的监测并及时采取防冲措施;当工作面进入0251采空区下方时，运输巷围岩应力迅速降低，防治重点应由运输巷转移至回风巷。依据数值模拟分析结果，划分了冲击危险区，提出了工作面回采过程中的分区防治措施。现场监测结果表明，采取的措施可以有效降低冲击地压的发生。     

神东矿区旺采工作面顶板岩层水力压裂控制技术研究

针对神东矿区旺采工作面开采与顶板岩层特征以及采空区全部垮落法顶板管理的要求,通过支巷或联巷向拟回采煤柱上覆顶板岩层实施水力压裂,预先弱化顶板岩层,降低其整体性和稳定性。榆家梁52煤旺采工作面顶板岩层水力压裂试验表明,工作面回采中,采空区顶板能够及时、安全垮落,满足全部垮落法管理顶板的要求;支巷锚杆、锚索的受力及线性支架工作阻力监测结果显示,工作面回采过程中,矿压显现程度较低,为工作面安全、正常生产创造了良好的应力环境。     

特厚煤层回采巷道大变形及采动应力场分析

基于郭家河煤矿特厚煤层回采过程中邻空侧巷道变形严重,以1305工作面回风巷巷道变形为工程背景,开展工作面推进过程中巷道围岩变形观测和采动应力场监测。研究结果表明:随着工作面深入1303采空区,回风巷侧巷道变形速度增大3~5倍;相比于运输巷回风巷侧支承压力峰值深入工作面及巷帮实体煤距离均减小,应力集中系数可达3;1305工作面回风巷巷道大变形是采动应力、采空区侧向支承压力、侧向顶板结构等多重因素耦合作用的结果。针对巷道变形原因提出侧向顶板深孔断顶爆破和小煤柱护巷措施。     

高位硬厚关键层下开采环境对采动应力分布影响特征研究

上覆高位硬厚关键层下开采,采动应力会异常集中。采用数值模拟的方法,研究了上覆硬厚关键层条件下采动应力演化规律,并分析了开采环境对采动应力的影响。研究表明:随工作面回采距离不断增加,工作面前方支承压力不断增长,但增速逐渐放缓,破断后工作面支承压力迅速降低。工作面边界条件和硬厚关键层厚度对采动应力的影响作用较为明显,表现为随相邻采空区数目的增加,破断前应力峰值逐渐增加,破断后应力逐渐降低;随硬厚关键层厚度的增加,工作面前方支承压力峰值逐渐减小,破断后支承压力峰值降低幅度逐渐增加。研究结果可为高位硬厚岩层下开采时冲击地压的预测与防治工作提供一定的理论基础,对于保证工作面的安全生产具有一定的指导意义。     

深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征的实测研究

为研究深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征,采用冲击地压实时监测预警系统对新巨龙矿井1301工作面走向及侧向巷帮煤体垂直应力进行了实测。研究表明：深井特厚煤层综放工作面走向支承压力峰值位置到煤壁的距离及巷帮煤体侧向支承压力峰值位置到巷帮的距离比一般工作面大;巷帮煤体侧向支承压力峰值出现在采空区后方;回采期间巷帮煤体垂直应力的变化沿走向可分为应力稳定区、应力升高区、应力峰值区、应力降低区、二次升高区和应力蠕变区。     

双巷布置工作面外围巷道冲击地压启动机理

以山西某高瓦斯双巷布置工作面外围巷道冲击地压案例为研究背景,采用理论分析、现场实测等方法,建立了侧向采空区顶板断裂诱发时滞性冲击启动力学模型,揭示了冲击启动原理,并发现了褶曲导致动载型冲击地压发生的案例。结果表明:工作面开采后,外U留巷煤柱因采空区顶板侧向回转,产生偏移的弹性核;进风平巷通过背斜轴部带,因水平构造应力导致顶板垮断极度滞后,其断裂产生的动载源加载并扰动煤柱弹性核静载致其突破极限诱发时滞性冲击启动;静载荷积聚的弹性核在外U留巷煤柱中普遍存在,不足以诱发静载荷型冲击,背斜轴部顶板滞后垮断提供了动载荷源,因此判断其冲击类型为集中动载荷型,后期防治应针对动、静载荷源同时采取解危措施。     

综采工作面瓦斯治理技术研究与应用

回采工作面推过以后,采空区的顶板要随着工作面的推进而垮落,底板出现底鼓,顶底板原始岩层裂隙增大,通道增多,从而使得开采煤层临近层的瓦斯通过开采形成的裂隙涌到工作面采空区,造成工作面回风流以及上隅角的瓦斯浓度超限.为了解决这一问题,山西玉和泰煤业有限公司根据该矿的特点,对该煤层进行了预先抽放,并在回采工作面的上部岩层内开掘一条高位抽放巷进行瓦斯抽放,利用瓦斯比空气轻的特点,将采空区内的瓦斯利用地面抽放系统抽出,从而降低了工作面及回风巷内的瓦斯浓度,保证了安全生产.     

松软煤层宽煤柱沿空巷道高应力显现规律及机理研究

结合藻渡煤矿N2103工作面发生的高应力显现规律,分析了高应力与工作面采动之间的联系;综合钻屑法和数值模拟法,共同分析了采动应力的影响区域,认为巷道经历的实体煤掘进阶段、极限平衡区阶段和采空区阶段3个阶段中,应力集中由超前支承压力和侧向支承压力共同作用;结合工程实践分析,造成高应力显现的力源主要来自于采空区侧向和超前采动应力的叠加影响,还受到工作面上方顶板的运移、垮断影响。基于理论分析及现场实测结论分析可知,藻渡煤矿N2103工作面回风巷动压载荷是由超前开采动应力、采空区侧向应力形成的宽煤柱弹性区的集中静载荷和采空区边缘覆岩活动引发的集中动载荷叠加而成。     

特厚煤层综放工作面围岩运动的微地震监测

针对大同煤田石炭二叠纪特厚煤层综放工作面存在的顶板压力大、采空区空间大、顶板坚硬不易垮落、动压显现频繁、瓦斯容易大规模积聚、岩层运动规律不清等问题,运用微地震监测技术对工作面顶板煤岩层破坏情况进行了监测分析,得到了顶板、底板的破裂范围,断层活化距离,侧向顶板破裂范围,以及超前支承压力分布范围等数据,为特厚煤层工作面的矿压控制提供了科学依据。     

综采工作面两巷采空区顶板垮落不及时控制技术

综采工作面两巷采空区顶板管理一直是煤矿井下管理的难题,经常有顶板垮落不及时现象,造成空顶距大、瓦斯积聚、矿压集中,给工作面安全生产带来隐患。结合各矿地质条件及历年综采工作面两巷采空区顶板管理措施,提出综采工作面两巷采空区顶板垮落不及时的控制技术及措施,保证两巷采空区顶板随工作面推进及时垮落,减少悬顶面积,防止顶板及瓦斯事故的发生。     

巨厚岩浆岩下充填开采的动力灾害控制

工作面上覆硬厚岩浆岩大范围运移可能诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害,且易导致地表突然下沉。以某煤矿首采工作面为背景,对巨厚岩浆岩下垮落法与充填法开采进行了离散元数值模拟,分析了充填开采对岩浆岩运移与采动应力的控制效果。研究表明：垮落法开采时,岩浆岩初次运动前支承压力迅速增加,最大峰值达到45.97 MPa,易引起冲击地压等动力灾害;初次运动后上部岩层发生同步运移,下沉速度显著增大,最大下沉量达1.21 m。充填法开采时,支承压力变化不大,最大峰值为25.88 MPa;与垮落法相同推进步距时,岩浆岩上覆岩层下沉量仅为0.044 4 m。充填法开采有效降低了围岩应力和地表下沉,降低了动力灾害的危险程度。     

断顶爆破治理冲击地压技术研究与应用

新汶矿区的主采煤层顶板均为较坚硬的砂岩,厚而坚硬的顶板较难垮落,在工作面回采过程中在采空区形成大面积悬顶,顶板对煤体压缩做功积聚大量的弹性能,为有效地防治冲击地压,确定了合理的爆破方案对顶板实施了爆破卸压,并通过数值模拟和应力现场实测表明,超前爆破明显改善了顶板条件,获得了有效的应力释放和卸压效果,从而很大程度避免了冲击地压的发生。     

软厚泥岩顶板回采面侧向支承压力分布规律研究

采用现场实测和数值模拟相结合的方法对某矿W3212工作面回风平巷巷帮煤体中支承压力分布规律进行研究。实测结果分析表明:软厚泥岩顶板工作面巷帮煤体侧向支承压力峰值位置到巷帮的距离比一般工作面小,约为10 m,4.0~16.0 m为应力增高区,17.5~25.5 m范围岩体已进入原岩应力区;数值模拟研究结果表明:巷帮煤体中侧向支承压力峰值达到34.3 MPa,应力集中系数为2.28,峰值处于距离巷帮11 m位置,直接顶和老顶支承压力峰值分别处于距离巷帮13 m和18 m位置。     

二次采动下临空留巷冲击地压机理

针对二次采动影响下临空留巷冲击地压难题,从冲击启动的载荷源入手分析冲击地压发生机理,结果表明:二次采动影响之前,临空宽煤柱应力高度集中,二次采动作用下,工作面超前58m范围应力再次升高,应力集中系数2. 20～5. 39。煤柱内开掘硐室或联巷导致周围应力再次升高至1. 5～4. 2倍,并诱发低位高能级微震事件频发。在采空区侧向支承压力、二次扰动引起的超前支承压力和煤柱硐室周边集中应力的共同作用下,煤柱局部区段静载荷积聚至临界水平,回采扰动下动静载荷叠加后,达到煤柱冲击启动的载荷条件。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。