采动覆岩卸荷膨胀累积效应

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。     

基于微震与矿山压力监测的工作面周期来压步距与机理分析

为研究22116综采工作面周期来压对正常回采的影响,采用微震和支架在线监测系统对22116工作面进行现场实测,并结合理论分析对工作面周期来压步距及关键层进行了确定。结果表明:大同组23.0 m细粒砂岩为基本顶,其所控制的上覆岩层平均厚度70 m,下伏煤层以上岩层为直接顶;工作面推进速度越快,微震活动越强烈,动力扰动下"三铰拱"结构易失稳形成悬臂梁结构,且推进速度较快时周期来压步距较短;工作面推进速度不同,基本顶弯曲断裂的微震强烈程度不同,同时微震事件时域分布显示出明显的周期来压特点,与矿山压力监测结果一致。     

覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析

煤层开采打破了上覆岩层原有的平衡,必然引起岩层的移动、破断,导致应力场和裂隙场的改变,工作面出现矿压显现。上覆岩层的岩性和组合结构对工作面开采覆岩损害特征分布影响显著,一般岩性越坚硬,上覆岩层应力集中程度越高,采动裂隙越发育,矿压显现也越明显;坚硬岩层尤其是关键层对覆岩的破断运动起控制作用,覆岩破断发展到一定层位后软弱岩层往往是抑制覆岩破断进一步向上发展的关键。当工作面上覆岩层同时存在远近场关键层时,近场关键层的周期性破断引起裂隙带范围内岩层的运动和工作面周期来压;而远场关键层的周期性破断导致地表裂缝或台阶下沉,工作面压力急剧上升,有时甚至导致煤矿动压灾害,尤其是远近场关键层同步破断时动力现象更明显。通过地面钻孔使远场关键层提前破断是防止此类动力灾害的关键。     

典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究

针对目前对煤层支承压力的研究大多基于工作面上覆岩层结构均化处理展开,未充分考虑其内在结构影响的问题,基于岩层控制关键层理论,通过改变关键层位置、厚度等,对典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:随着关键层与煤层间距增大,工作面超前支承压力峰值逐渐减小,关键层下方软岩层超前支承压力峰值先减小后趋于稳定,关键层上方软岩层超前支承压力峰值先增大后趋于稳定,应力集中区域范围减小;随着关键层厚度增大,工作面超前支承压力峰值先增大后趋于稳定,上覆岩层超前支承压力峰值逐渐增大,应力集中区域范围增大。     

基于关键层控制的部分充填采煤技术

建筑物(村庄)下压煤开采一直是困扰我国煤矿的重大技术难题。针对充填采煤技术面临的难点与挑战,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发了基于关键层控制的部分充填采煤技术。研究揭示了覆岩关键层对地表沉陷控制机理;建立了基于关键层控制的地表沉陷控制模型及部分充填采煤的设计方法;研发了采空区条带(墩柱)充填、冒落区嗣后充填和覆岩隔离注浆充填等部分充填采煤技术,已在淮北、淄博、阳泉、皖北等矿区10余对矿井的40余个工作面成功应用。部分充填采煤技术充分利用了覆岩结构的自承载能力,减少了充填工作量、降低了充填成本,是高效低成本的建筑物压煤充填开采技术。     

采动影响区抽采钻井井身固化及抽采效果考察

为提高地面瓦斯抽采效果,对抽采期间钻井进行了窥视,发现当回采工作面推过地面钻井位置后,钻井井壁迅速破坏,无法充分发挥其应有的瓦斯抽采效应。通过对煤层顶板岩层受采动影响顶板活动过程的分析,优化地面抽采钻井井身结构,在原有的施工工艺上增加三开下筛管,增强钻孔的防护强度,抽采浓度提高了1.54.5倍,抽采纯量提高了1.55倍,工作面回风流和回风隅角瓦斯浓度显著下降,抽采效果明显提高。     

关键层影响下采空区侧向覆岩结构及合理煤柱宽度研究

为了解决郭家河煤矿区段煤柱留设宽度问题,通过分析上覆岩层的岩性,研究关键层影响下的采空区侧向覆岩结构,确定在使用大煤柱护巷条件下的合理区段煤柱的最小尺寸,并在现场进行试验验证。结果表明区段煤柱尺寸为35m能够保证下一区段的回采巷道保持较稳定状态,确保了工作面安全回采。     

覆岩岩性-结构特征对采空区裂隙带高度的影响

根据软、硬的破坏变形特征,结合岩层发生破断时的极限载荷和极限应变的分析,揭示了软岩对裂隙发育的抑制机理。并提出当关键层位置一定时,在某一岩层(下方自由空间为0)下方相对高位存在软岩或者相对低位存在厚软岩,裂隙不发育,且位于相对低位的厚软岩对裂隙带的高度影响相对较大。对屯留矿N1102和S1206工作面的覆岩岩性结构进行实例分析,得出采空区裂隙带高度分别为23.6~30.5 m和32~34.5 m,并运用注水测漏法进行了现场测定,很好地验证了此方法的准确性。     

邻空坚硬顶板断裂影响下冲击矿压防治研究

针对华亭煤矿工作面回采期间,由于采深加大、邻空侧顶板垮断不充分致使工作面矿压危险性急剧上升的状况,分析确定影响工作面矿压危险性的主要因素为覆岩关键层的运动及周期性破断,据此判定工作面覆岩关键层为上覆基本顶并分析其破断力源,制定相应的解危卸压措施,并在管理制度上进一步优化完善,与邻近工作面相同区段相比,矿压显现破坏程度显著下降,为工作面安全回采提供了保障。