浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制

探索浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化对认识溃水溃砂通道形成机制具有指导意义。基于大柳塔矿地质条件,设计相似模拟试验,首采1-2上煤层,充分开采后再采1-2煤层。由此,揭示采动裂隙演化规律,指出上煤层采动碎胀作用明显,下煤层采动地表下沉线性增长明显。利用分形与逾渗理论定量评价了采动裂隙的演化特征。上煤层开采,根据周期来压特征,分维变化划分2个线性阶段。下煤层开采,非线性受控于上覆煤层引起的分维变化,分形维数将趋于一个稳定值。进一步揭示了采动裂隙逾渗概率随推进度的线性关系的,得到整个煤层组开采覆岩裂隙非线性演化的2个临界状态。研究了切落式破坏形成机制,提出了岩层板簧效应并分析了崩塌式切落特征,指出拉破坏是典型切落式台阶形成的主要原因。     

浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演化规律及影响因素分析

为了对西北浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演化规律及影响因素进行研究，以哈拉沟煤矿22407工作面为工程背景，采用相似模拟和理论研究的方法分析了浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演变规律，结果表明：高强度开采覆岩切落式塌陷灾害始于直接顶悬臂梁切落，覆岩产生的纵向裂隙，随着工作面推进，断裂带内的砌体梁结构失稳，引起关键层及其承载层切落，导致塌陷灾害发生。基于上述研究，建立了由支架-矸石-悬臂梁结构-砌体梁结构组成的力学模型，运用突变理论分析了覆岩结构、岩性、载荷及支架刚度、来压步距等因素对切落塌陷产生影响机制，为浅埋煤层高强度开采工作面生产安全及生态保护提供了科学依据。     

浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演化规律及影响因素分析

为了对西北浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演化规律及影响因素进行研究，以哈拉沟煤矿22407工作面为工程背景，采用相似模拟和理论研究的方法分析了浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害演变规律，结果表明：高强度开采覆岩切落式塌陷灾害始于直接顶悬臂梁切落，覆岩产生的纵向裂隙，随着工作面推进，断裂带内的砌体梁结构失稳，引起关键层及其承载层切落，导致塌陷灾害发生。基于上述研究，建立了由支架-矸石-悬臂梁结构-砌体梁结构组成的力学模型，运用突变理论分析了覆岩结构、岩性、载荷及支架刚度、来压步距等因素对切落塌陷产生影响机制，为浅埋煤层高强度开采工作面生产安全及生态保护提供了科学依据。     

浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

针对浅埋煤层矿压显现强烈,易于发生切顶压架事故的问题,以神东矿区浅埋煤层为例,统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据,结果认为,与普通埋深及深部煤层相比,浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征,破断位置位于工作面后上方,各层位测点呈整体同时破断,破断范围快速波及地表,当工作面推进11 m后,距顶板26 m处测点最大下沉量227 mm,当工作面推进296 m后,地表最大下沉量5.89 m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系,认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触,而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及运动规律,认为正常情况下,呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构,当支护质量不足或者遇到地质异常区时,结构易发生整体滑落失稳,导致工作面压架事故。基于以上认识,提出了浅埋超大采高工作面覆岩"切落体"结构模型,分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型,认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断,形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式,并以上湾8.8 m工作面为例进行了验算,结果表明,基于"切落体"结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。"切落体"结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据,丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。     

浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳，诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律，发现了超前煤柱群的回弹变形现象，开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验，研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征，分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程，揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明：(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征，即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象，之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此，反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏，引起载荷的转移，加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度，进而发生链式斜切破坏。在此过程中，覆岩持续沉降，裂隙也不断发育，形成剪切贯通断裂面，发生破断回转，促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳，引发层间岩层的全厚...     

浅埋薄基岩煤层合理采高的选择

为了确定浅埋薄基岩工作面的合理采高,通过理论计算和数值模拟的方法,对神东矿区浅埋深、煤厚为5.7 m的试验工作面进行不同采高的影响分析。分析结果表明采高较小时,顶板容易发生滑落失稳;但是随着采高的增加,失稳的回转角增大;同时采高增加冒落带和裂隙带向上扩张,基岩破断之后,上覆松散砂土层不能形成稳定的结构,最终导致"压架"事故。最后分析得到了该工作面的合理的开采高度为4.5~5.0 m。     

房采采空区失稳机理数值模拟

为认清浅埋房采采空区的失稳机理,分析了采空区的失稳形式,并采用数值模拟方法对采空区失稳机理进行了研究,结果表明:浅埋房采采空区的各种上覆地层结构中厚表土层薄基岩型分布范围广、危害性最大。当采空区煤房宽度都较小时,煤柱首先发生破坏失稳,采空区顶板尚能保持稳定,但煤柱破坏后不能对顶板产生支撑力,当采空区达到一定的悬顶面积后将会导致切冒型垮落。依据数值模拟结果,提出了相应的采空区治理方案。     

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。     

浅埋薄基岩高强度开采工作面初次来压基本顶结构稳定性研究

为了更合理地进行浅埋采场围岩控制设计,针对工作面出现的顶板沿煤壁大范围切落压架等异常矿压现象,对其发生机理进行了理论分析,得到载荷层厚度、采高、工作面长度的增加导致基本顶破断岩块的高长比增大;由最小势能原理得到了基本顶岩块发生回转失稳的极限位置,由于破断岩块的高长比增加,岩块回转过程中水平挤压力变化曲线斜率减小,而铰接面高度变化曲线斜率增大,铰接结构达到极限平衡位置所需回转的角度增大,导致基本顶结构不容易出现回转失稳,而极易发生滑落失稳。根据浅埋高强度采场顶板结构所特有的失稳形式,提出了确定支架合理工作阻力的动载荷法,并对乌兰木伦井田31402工作面初次来压进行了分析。     

浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采矿压显现特征

以鄂尔多斯地区浅埋煤层房柱式采空区下煤层长壁开采为主要研究对象,通过理论分析、现场矿压实测等方法,得出房柱式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在叠合梁结构,并且上位基本顶结构为固定梁,下位基本顶结构为悬臂梁,房柱式采空区煤柱及以下顶板构成直接顶;在上位固定梁的回转力矩作用下,下位悬臂梁周期性折断,其动载荷通过房采区煤柱传递给采场支护结构。上位悬臂梁与下位悬臂梁失稳的不同周期性,会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等强性,是长壁采场支架失稳的主要原因。     

遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望

遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。从链式失稳的源头出发,提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式,界定了关键柱的基本概念,分析了关键柱的主要特征,研发了关键柱判别的技术方法,揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理,形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:①遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性,导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式——遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时,最弱失稳致灾模式必然已经发生,即遗留煤柱群体系发生链式失稳时,稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。②关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“关键柱”之所以“关键”,是因为唯有采空区“关键柱”发生局部失稳,邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化,采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。③安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“关键柱”,在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。④关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大,即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散,导致进一步的失稳破坏,并最终可能引发遗留煤柱群体系的“多米诺”链式失稳与破坏。⑤关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域,还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。     

条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析

为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生"多米诺"效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。     

冲沟地貌近距下位煤层综放面进出煤柱期间顶板结构稳定性研究

针对冲沟地貌条件下近距离煤层群下位煤层综放面进出煤柱期间矿压显现剧烈问题,以上榆泉煤矿9#、10#煤层为工程背景,采用数值模拟方法分析了上位9#煤层遗留煤柱集中应力的分布规律,探究了下位10#煤层综放工作面进出煤柱期间采动应力与煤柱集中应力的叠加效应,结合工作面进出煤柱顶板结构模型,明确了顶板结构失稳方式为回转失稳与滑落失稳,回转角度与岩层断裂度为失稳的关键影响因素,针对顶板块体破坏方式提出煤柱下掘进工艺巷和减小采厚两种的进出煤柱期间压架灾害防治措施。可为冲沟地貌近距离煤层开采顶板控制与灾害防治提供借鉴。     

浅埋房采区下近距离煤层开采动载矿压机理

浅埋煤层工作面房采区下开采易发动载矿压甚至压架等灾害事故。以石圪台矿31201综采工作面典型房采煤柱下动载矿压的案例为基础,采用现场实测、理论分析、数值模拟和物理模拟手段对此类动载矿压发生的机理进行深入研究。研究结果表明：房采煤柱较集中煤柱更易失稳破坏;在下煤层采动和超前支承压力的影响下,房采煤柱突然大范围的失稳破坏会导致其上方关键层发生超前断裂,关键块体的逆向回转将过大的覆岩载荷传递至下方岩层结构,最终导致下位关键块体发生滑落失稳,这是造成工作面发生强烈动载矿压的根本原因。针对易发此类动载矿压的条件,从阻止或转移上覆岩层载荷的角度提出几点针对性的防治措施,其有效性和实用性得到了31201工作面后续安全开采的证实     

开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳细观机制研究

为揭示开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳的细观机制, 以盘龙铅锌矿采场间柱破裂为原型, 运用PFC^2D对其破坏机理进行反演分析, 建立基于声发射累计数的尖点突变失稳判别模型。研究结果表明:采空区上方形成压力拱, 拱内岩体自重转移到附近围岩和矿柱, 产生应力集中; 矿柱受压逐渐产生损伤, 其损伤破裂失稳演化过程分为3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、失效阶段; 矿柱内部以拉裂纹为主, 细观破坏形式主要为拉伸破坏, 宏观表现为剪切滑移破坏。经验证, 基于声发射累计数的尖点突变模型能够有效判别矿柱失稳状态。     

空场法矿柱破坏规律及稳定性分析

为预测空场法采矿时矿柱破坏规律及失稳分析,运用断裂力学及突变理论建立了矿柱失稳的尖点突变模型.将开采厚度远小于采场跨度的空场法采场假定为无限大板上相隔一定间距的共线裂纹,采用断裂力学Ⅰ型裂纹模型,得出了矿柱破坏宽度的计算公式;基于突变理论以失稳阻抗因子和矿柱破坏发展因子为控制变量,矿柱应力强度比Fq为状态变量建立了矿柱失稳的尖点突变模型,研究表明:当Fq>1,矿柱会发生失稳;当Fq<1时,矿柱不会发生失稳.实例分析表明利用该模型对矿柱稳定性进行分析,其结果满足工程要求.     

倾斜综放面支架防倒防滑技术研究

为研究大倾角综放面支架稳定控制措施,文章从支架稳定性影响因素分析入手,探究了支架倾角与立柱支撑力的失稳临界条件,并基于孟家窑矿11508工作面地质条件确定了支架稳定性控制措施。研究表明,ZF4600/17/32支架的临界煤层倾角为16°,所需残余支撑压力为223kN,将工作面调斜5°~8°或留设15m防倒圆弧煤柱能够有效降低煤层倾角带来的不利影响,支架间安装防倒千斤顶和柔性支护装置,能够有效增强支架带压能力,保障支架不出现失稳现象。11508工作面工程实践表明支架额定工作阻力能够充分发挥作用,月进尺量提升15%,能够满足工作面技术经济要求。     

顶板岩梁结构的稳定性与支护系统刚度

借助结构稳定理论，分析了工作面顶板“三铰拱”结构、“砌体梁”结构的变形失稳机理，建立了顶板变形失稳的几何、载荷参数条件，提出了确定合理支架刚度的标准及计算公式。同时指出，顶板岩层流变会降低顶板结构承载能力，促使变形失稳发生。     

随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理与控制研究

为研究随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理及控制方法,基于龙口某矿油页岩上分层巷道节理参数统计结果,结合蒙特卡罗模拟方法,采用UDEC软件内置FISH语言编写了随机节理模拟程序,建立了随机节理岩体巷道数值模型,对随机节理岩体巷道再生顶板的失稳破坏过程及支护方式进行了模拟,并通过工程应用对数值模拟进行了验证。结果表明:再生顶板巷道开挖后预留护顶中小的易冒块体首先沿节理面滑落,之后关键块体在上部破碎岩块压力作用下沿节理面滑动下沉,当关键块体一端滑离巷帮节理面时,关键块体失稳,发生冒顶;再生顶板下预留护顶掘进巷道合理支护方式为锚索-架棚联合支护,可有效控制巷道顶板变形并防止顶板破碎块体冒落。