硬厚砂岩顶板垮落引燃采空区瓦斯机制初步研究

高瓦斯煤层上部赋存硬厚砂岩顶板时,因顶板垮落引燃采空区内瓦斯甚至导致瓦斯爆炸事故时有发生。以夏阔坦煤矿下10煤层1007工作面开采为工程背景,采用室内实验和理论分析的方法,研究岩石摩擦效应引燃瓦斯的点火源、断裂岩层滑落失稳发生条件、边界支承条件和破断阶段对断裂岩层发生滑落失稳的影响。该工程地质条件下研究结论表明,坚硬砂岩摩擦过程产生的热量能够引燃瓦斯,与摩擦过程产生的火花束和高温岩粉流相比,高温热摩擦面更易引燃瓦斯,是主要点火源。顶板岩层初次破断后,岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值di/h常大于2.6;顶板周期性破断时,岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值di/h常小于2,顶板岩层周期性破断期间更易发生滑落失稳。边界支承条件对岩层滑落失稳发生影响较大,岩层破断时简支边界较固支边界更易发生滑落失稳,厚度大于11 m的岩层初次破断时、厚度大于4 m的岩层周期破断时,在简支边界处即可满足滑落失稳发生条件。当工作面上部为已采空区域,采场上部破断三角岩块是硬砂岩顶板垮落引燃采空区瓦斯的危险区域,可从顶板弱化和瓦斯治理两个方面开展防治工作。     

基于矿震活动规律的重复采动高位硬厚岩层冲击机制探讨

针对高位硬厚岩层条件、多煤层开采下煤层强矿震频发问题,以鲍店煤矿十采区200 m超厚高位红层砂岩为工程实例,分析重复采动高位硬厚岩层矿震活动规律及冲击机制。矿震活动规律表明:相比于上煤层而言下煤层开采引起的能量小于104 J的微震事件明显减少,但对开采活动影响较大的能量高于105 J的强矿震事件大大增加;矿震活动总体表现出较弱的规律性,但工作面两侧边界的强矿震事件明显多于中部区域,且工作面采空区侧的强矿震事件远多于实体煤侧。在分析高位硬厚岩层初次破断运动特征的基础上,结合3下煤层开采期间的微矿震活动,提出高位硬厚岩层条件下、重复采动工作面分区域冲击机制:中部由于沉降空间加大,竖向载荷突变造成断裂岩块间剪应力超限,导致原铰接平衡岩块失稳冲击的"剪切滑落型";两侧边界由于岩层移动线外扩,产生高集中应力压实下部垮落岩层导致岩块侧向滑移冲击的"滑移沉降型";2种冲击机制相互交叉、相互促进,"滑移沉降型"冲击在重复采动高位硬厚岩层诱发的动力响应中起主导作用。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

深部采场覆岩应力路径效应与失稳过程分析

针对深部采场上覆岩层三向采动应力变化规律不清晰、采动应力变化与上覆岩层破断失稳过程之间的关系不明确等问题,提出基于应力状态与强度变化关系的三向采动应力扰动系数计算方法,揭示深部采场上覆岩层采动应力的时空演化特征与破断失稳过程。基于莫尔–库仑强度准则分析不同加卸载条件下主应力的变换形式,提出以最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比作为三向采动应力强扰动判别指标,推导得出三向采动应力扰动系数;基于弹塑性力学理论,采用3DEC数值模拟方法,分析深部采场沿工作面推进方向、工作面长度方向上覆岩层的三向采动应力大小、方向变化规律,得出工作面前方上覆岩层的采动应力扰动系数与扰动强度分区,揭示深部采场上覆岩层的采动应力时空演化特征;基于深部采场上覆岩层破断过程的采动应力与位移变化关系,将顶板岩层的破断过程细分为采动应力增加、离层、断裂失稳、顶板上部岩层断裂失稳、上覆岩层压实稳定等5个阶段,分析上覆岩层断裂过程中采动应力的变化规律,揭示垂直应力、水平应力在上覆岩层断裂失稳过程中的作用机制。以口孜东煤矿千米深井长工作面开采实践为工程背景,采用上述研究成果较好地解释了口孜东煤矿千米深井大采高长工作面矿山压力显现频繁、来压强度不大等现象。     

强冲击地压矿井地表非连续移动变形特征

随着工作面的开采,上方覆岩体内软岩层出现明显离层特征,离层上方硬性巨厚覆岩层逐渐下沉。当工作面推进到一定距离时,离层量加大,为巨厚覆岩层提供一定运动空间,进而造成巨厚覆岩层的破断;由于瞬间的能量释放,对围岩造成强冲击性,同时造成地表呈现斑裂等非连续性特征。较大的斑裂均位于地表水平变形较大的位置,随着井下沿走向开采尺寸的加大,斑裂的宽度和深度也逐渐扩大,斑裂最宽可达1.5～3.0 m,深度可达50～70 m。同时,采动覆岩岩层运动,也导致地表变形出现明显的集中与滞缓现象,当离层范围大于砾岩体折断步距时,地表变形加剧,就会出现斑裂现象。同时探讨地表移动变形与冲击地压发生具有的显著相关性,进而可对冲击地压做预测辅助参考。     

液压支架群组支护原理与承载特性

根据液压支架支护特性,建立液压支架群组弹性基础梁力学模型,得出顶板挠度与支护阻力解析关系式,在此基础上研究不同巷帮条件、支架刚度、顶板岩性、岩厚、采高等参数对顶板下沉量和液压支架支护阻力的影响,分析支架上方顶板来压特性与工作面长度的关系,解释普通长度工作面顶板来压特性以及超长工作面顶板来压规律。实例表明,基于弹性基础梁的液压群组计算模型具有实用价值,可以揭示液压支架群组支护阻力以及工作面支架上方顶板挠度变化情况与岩层破断规律。     

唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成巷试验研究

 垮落带内含有厚层坚硬岩层时,难以冒落,易在沿空巷道采空区侧形成弧形三角悬板,对沿空巷道产生较大压力。以大同唐山沟8820厚层砂岩顶板首采面无煤柱开采为背景,分析普通充填留巷和切缝沿空成巷侧向顶板断裂结构特征及围岩稳定过程,认为对垮落带内直接顶坚硬层顶板进行合理参数下的切缝,可使得切缝高度范围内采空区边界直接顶和基本顶失去约束,并沿切缝结构面剪切破断充分冒落接顶,降低破断冲击动载;并通过UDEC数值模拟软件,分析出切缝有利于矸石冒落并支撑上覆岩层,可将上覆基本顶岩层的触矸点前移,限制基本顶回转和下沉作用引起的围岩压力,明显减小巷道围岩变形量。基于理论、数值分析研究结果,确定唐山沟矿8820回风巷巷内加强巷旁密集支柱+巷旁双向聚能爆破切缝的上压下支中间切缝的联合切顶方案。通过井下爆破参数试验、矿压监测分析,评价切顶成巷的效果。井下试验表明：顶板高恒阻大变形锚索、巷内加强巷旁密集支柱、巷旁密集档矸点柱、超前聚能切缝爆破的切顶成巷综合技术,能够有效切落沿空巷道侧向顶板并形成完整巷道,各项指标均满足下一工作面回采要求。     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

浅埋复采工作面厚硬岩层–煤柱结构模型及其稳定性研究

厚硬岩层和煤柱是浅埋复采工作面开采诱发动力灾害的主要因素。以山东高庄煤矿浅埋水采复采工作面为工程背景,为了揭示厚硬岩层运动和煤柱应力演化之间的关系及其组成系统失稳规律,提出采场"厚硬岩层–煤柱"结构模型,分析结构模型的不同岩层重力形式、范围大小和变形特征,推导出厚硬岩层岩梁在固支端集中力和周期破断步距表达式,并以此为基础,综合煤体煤柱"动–静"载应力与其综合支承强度之间关系,探讨了厚硬岩层–煤柱失稳的力学判据、煤柱应力变化特征及其灾害防控方法。研究结果表明:(1)厚硬岩层条件下,水采复采工作面能够形成连续的"┤"型空间结构,包括水平方向的"传递体"和高度方向的"支撑体",传递体周期性运动是形成支撑体煤柱煤体支承应力集中和转移的主要原因;(2)煤柱煤体的静态支承应力p主要由支撑体受到的自身岩层重力(G和FL)与传递体转移岩层重力F2共同形成,传递体结构的厚硬岩梁破断运动是产生动载应力pd的主要原因,阐释了厚硬岩层–煤柱结构模型的I,II–1,II–2和II–3失稳类型。成果成功运用于3上301工作面开采实践,微震和应力监测等结果佐证了预测模型的合理性,并通过实施冲击防控措施,最终实现了工作面安全回采。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害机理研究

应用初始后屈曲理论和尖点突变模型探讨了顶板岩层分岔失稳的机理及其屈曲后的不稳定性,得出了采场老顶初次来压时断裂下沉的计算公式,建立了顶板破断后台阶下沉的判据,给出了台阶下沉量。研究发现,顶板破断后岩块处于非平衡状态;台阶下沉是由单一岩块逆向回转引起的;台阶下沉与断裂下沉之间存在着确定的关系。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据浅埋煤层顶板结构的结构特征、岩体材料以及上覆厚松散沙层等赋存状况确定长壁开采工作面初次来压期间基岩老顶可能出现的灾害形式。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距的确定

采煤工作面顶板岩层主关键层及其破断距的确定对于采场矿山压力控制至关重要。以白皎煤矿采煤工作面硬软变替岩层的复合顶板为研究对象，采用相似模拟试验研究、关键层理论分析和数值模拟计算相结合途径确定复合顶板主关键层及其破断距。研究结果表明：该工作面顶板第1～3硬岩层依次破断，为顶板亚关键层；第4～6硬岩层组成的复合关键层为项板主关键层；计算得到的复合顶板主关键层的平均破断距为114m；当该工作面推进到108．2m时，主关键层的破断导致工作面出现异常矿压显现。工程实际应用情况表明，3种方法的有机结合，可以较准确地确定硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距，对采煤工作面的支护及矿山压力控制具有指导作用。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测

针对工作面上覆高位硬厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验研究了主关键层下离层空间的演化过程与形态特征,分析了离层空间的层位演化与横向扩展规律、覆岩与主关键层的运移规律;通过理论分析揭示了离层空间形成的机理与条件,提出了离层空间演化特征的确定方法,建立了主关键层底部最大离层空间的分析模型与预测方法。研究表明:岩层组合失稳运移形成"月牙"形离层空间,以间歇式跳跃上升至岩浆岩底部,岩浆岩底部存在较大的离层空间,并由"月牙"形逐渐转变为"一字"形,岩浆岩破裂运移导致离层闭合。离层空间在亚关键层及主关键层底部自下而上动态发育与闭合,层位高度及发育范围与推进距离呈正相关性,可采用"多梯形"方法确定其演化过程。覆岩运移经历下位关键层沉降、运移向主关键层底部发展、底部盆地沉降、岩浆岩运移及整体稳定等5个状态,覆岩下沉形态先后呈"V"型、"√"型及"U"型。岩浆岩运移过程分为下部支撑、底部离层扩展、破裂随动、失稳运移及离层闭合稳定等5个阶段。建立了最大离层空间的覆岩结构及弹性基础梁模型,得到其断面积和体积的预测计算式,为高位岩浆岩下安全开采提供了理论依据。     

覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究

在对岩体内部移动与地表沉陷实测资料进行对比分析的基础上,采用物理和数值模拟方法,就覆岩主关键层对地表下沉动态过程的影响进行了研究。研究结果证明,覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用,覆岩主关键层的破断将引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。在此基础上,提出将控制覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计原则的观点。     

浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征工作面长度效应

基于现场实测结果,结合数值模拟技术,对浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征的工作面长度效应进行系统的研究。研究结果表明：加长工作面长度对矿压特征有显著影响;超长综放工作面来压步距减小、采场支架受力均匀、矿压分布呈以工作面中部为对称轴的拱形分布、支架末阻力–初撑力为线性关系;工作面长度方向存在随工作面长度演化的“复合压力拱”;随工作面长度增加,煤壁前方支承压力峰值增大,工作面长度方向压力拱逐渐升高且扁平率趋于增大,表现为总体的矿压显现增加规律,利于顶煤的破碎;控顶区内顶煤下沉量 S 随工作面长度 L 的增大呈对数规律增大,随支架初撑力 P 的增大呈负对数规律减小;给定 S 后, P 随 L 呈线性规律增加。研究成果可为工作面长度和支架的选择提供有益的借鉴和参考。     

陡倾角沉积岩地层中大型地下厂房开挖围岩 变形失稳特征和反馈分析

 介绍彭水水电站地下主厂房洞室施工过程中高边墙围岩的变形破坏特征、相应的加固处理措施以及围岩监测成果等;在此基础上,开展主厂房围岩施工期的动态反馈分析。研究结果表明：对于陡倾角层状岩体中开挖的大型地下洞室群,围岩中分布的软弱结构面和岩层层面对上、下游边墙的变形与稳定起着控制性作用,陡倾角、顺向岩层组合的高边墙其变形失稳模式以典型的滑移破坏为主;而陡倾角、逆向岩层组合的高边墙则以沿层面的张裂、折断、倾倒变形后的坍塌破坏为主。通过开展施工期围岩监测反馈分析,为彭水水电站地下厂房的动态设计和信息化施工提供了重要依据。     

顺向坡岩层倾向与坡向夹角对斜坡稳定性的影响

 顺向坡是岩质斜坡中稳定性最差、最易变形破坏的斜坡类型,顺向坡岩层倾向和坡向夹角的上限与岩质密切相关。为了分析不同岩质顺向坡岩层倾向与坡向夹角对斜坡稳定性的影响,建立考虑侧限顺层平面型斜坡的稳定性计算模型。考虑斜坡侧向边界阻滑效应,结合直剪试验岩桥贯通理论计算侧向阻力,以T2b2和T2b3分别作为软、硬岩代表,分析不同岩质顺向坡岩层倾向和坡向夹角变化对斜坡稳定性影响的敏感程度,最终给出顺向坡岩层倾向和坡向的上限夹角。结果表明：在考虑侧限时,硬质岩岩层倾向与坡向夹角变化对斜坡稳定性影响的敏感程度高于软质岩,取30°为顺向坡岩层倾向与坡向夹角的上限较合适。通过三峡库区库首至巴东段滑坡统计,验证分析结果的合理性。结论为经验判断顺向坡危险性提供了依据,也可作为区域滑坡危险性评价等工作中坡体结构划分的参考。     

低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂裂缝扩展模拟

 对低渗透薄互层砂岩油藏的大型压裂开发时,由于低渗透薄互层砂岩油藏中隔层岩层比较薄、强度低,对裂缝高度方向上的扩展抑制作用较小,往往会出现裂缝长度与高度之比小于4,导致只考虑缝内流体一维流动的拟三维裂缝扩展模型不再适用。根据低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂的特点,在适当假设的基础上,应用线弹性断裂理论,建立考虑缝内流体沿着裂缝高度和长度方向流动的拟三维裂缝扩展模型,并用解析法得到压裂过程中裂缝扩展尺寸和缝内流体压力的精确解;利用Visual Basic计算机语言编制二维流动的拟三维裂缝扩展模型求解程序,并对某低渗透薄互层砂岩油藏压裂过程中裂缝扩展情况进行了求解分析。计算结果表明：二维流动的拟三维裂缝扩展模型能够很好地预测低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂过程中裂缝的扩展,可以满足工程需求。