煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析

论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度,从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级。包括不同成煤期,世界煤炭开采历史,矿区、矿井的服务年限及开采参数,静态、动态煤岩力学试验,煤岩破碎,围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布。指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7～1016 s,跨23个数量级。在地质年代尺度上,可研究煤的形成、煤盆地演化、煤系地层应力场演化等内容。井工煤矿开采划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行,不同阶段的时间尺度不同。煤岩力学试验从蠕变到超动态,时间尺度范围为10-7～109 s。岩石蠕变试验时间有的可达数年,而岩石动态破坏时间有的仅为微秒级。煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务,前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题,研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制。采场是移动场所,围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快,常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长,围岩变形与破坏的时效性较强,描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月。冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒,研究冲击地压发生、发展及破坏过程,应从毫秒甚至更小的尺度上进行。不同的煤炭开采与岩层控制问题需要在不同的时间尺度研究。有些问题需要进行多时间尺度研究,才能发现问题的本质。世界煤炭开采已有2 000多年的历史,特别是最近60多年,煤炭开采实现了重大技术革命。但大规模煤炭开采也带来一系列问题,如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作,需要新思路、新工艺、新技术。     

破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化

巷道帮部破碎围岩在采动应力诱发下的动力灾害问题严重制约现场安全高效掘进。针对破碎围岩巷道帮部突然性断裂垮落致诱动力灾害问题,根据巷道地质条件和布局,考虑顶底板帮部裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、理论分析、数值计算和微震现场监测等手段和方法,综合分析破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化设计。结果表明:受重力作用,岩层顶板在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布,巷道经过支护后,顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度;受巷道掘进扰动影响下顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构及其矿压控制

通过理论和实践研究,提出了三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构运动的矿压显现规律和相关矿压控制技术.此类采场矿压控制的理论基础是采场“C”型覆岩空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题是工作面巷道和切眼围岩矿压加剧造成的灾害形式及其控制技术和因坚硬岩层断裂引起的冲击地压的可能性预测和防治技术.通过兖州煤业股份有限公司南屯煤矿的工程实例,系统介绍了矿压灾害监测技术和控制方法.结果表明,文中提出的对岩层结构的认识和采取的监测控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用.     

采场围岩三维力学特征与冲击地压的联系

阐述了采场围岩三维力学特征及其影响因素,在分析冲击地压发生机理的基础上,初步探讨了综采采场围岩应力壳演化特征与发生冲击地压的联系,认为随开采特点及影响因素的改变,采场围岩应力壳的演化及发展为冲击地压的孕育发生创造了力学及能量条件,强调充分认识采场围岩应力壳的演化特征对防治冲击地压等煤矿动力灾害具有重要意义。     

深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

与浅部相比,深部巷道特别是千米深井采动巷道,地应力高、采动影响强烈,导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重,目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此,采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法,从应力强度比出发,并考虑偏应力和梯度应力,提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念,探讨了其科学内涵,并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上,基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征,初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动,且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力,扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发,揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。     

急倾斜特厚煤层多分层同采巷道冲击地压成因及控制技术研究

以甘肃华亭煤矿601,602回采工作面冲击地压回采巷道为研究背景,通过现场原岩应力场测量以及上覆围岩结构的力学分析,确定冲击地压发生的力源主要是向斜构造应力场与多分层同采导致的叠加应力场形成的复合应力场,上覆岩层"悬臂梁"结构失稳导致的冲击载荷是诱发冲击地压发生的结构性动力因素;基于此,提出以"错峰调压+爆破切顶+强力支护"为核心的急倾斜特厚煤层分层同采巷道冲击地压控制技术,通过错峰调压来降低回采巷道围岩煤岩体受超强采动影响造成的应力集中程度,爆破切顶控制上覆岩层"悬臂梁"结构的形态,强力支护使回采巷道围岩煤岩体与支护材料形成具有"高强度、强让压、整体性"支护体系。最后确定华亭煤矿同采工作面不宜超过2个,回采工作面间的错距不得小于500 m;在602工作面回风巷道布置钻孔应力计对爆破效果进行检验,结果表明巷道围岩煤岩体内部的集中应力在措施后呈阶段性降低的趋势,从而认为该控制技术可有效防止急倾斜特厚煤层分层同采导致的冲击地压灾害的发生。     

金属矿深部开采巷道位移监测与围岩稳定性分析

针对新城金矿深部开采过程中出现的巷道围岩稳定性问题,采用深部开采位移监测系统实时监测矿区深部采场和围岩变形,基于监测信息,综合分析了围岩稳定状态,揭示了金属矿深部开采过程中影响巷道稳定性的主要因素和岩体损伤与变形规律：软弱结构面是影响深部开采巷道稳定性的内在因素,开采扰动是影响巷道稳定性的外在因素;岩体损伤破坏经历了“稳定-失衡-再稳定”的过程,巷道变形表现出了“急剧增长-缓慢增长-基本稳定”3个阶段;浅部围岩破碎后巷道变形会急剧增大,应及时支护掘进巷道,充填回采结束采场,提高围岩体的自承力。结果对矿山优化开采及地压管理具有现实指导作用。     

跨采巷道强流变膨胀性围岩破坏分析及控制

为解决某矿跨采特殊巷道安全支护,以2114工作面跨采区总风平巷开采为背景,利用岩石力学试验分析出岩层内黏土岩和泥质胶结的砂岩岩性为强流变膨胀性;依据力学的理论知识,导出矿井采场采动后的影响深度为23.6 m;根据巷内围岩的破坏规律及特征,提出了适用此类条件下跨采巷道的围岩控制技术。并依据工业性试验验证了此方法能够保证巷道安全,取得了良好的支护效果。     

复杂应力环境下开采扰动区巷道失稳分析与加固方案

复杂应力环境下大断面巷道开挖必然形成开采扰动区,其围岩介质的变形与失稳行为及过程很复杂,主要涉及到围岩力学性态及强度劣化特征、顶部岩层非稳态下沉与水平挤压变形耦合作用诱致动力失稳、深层围岩离层演化至局部冒落失稳。通过对羊场湾煤矿开采扰动区失稳巷道进行全面的工程地质调查,结合现场围岩变形、应力监测,对冒落区段巷道进行了加固治理,其技术方法对类似工程条件下的失稳巷道加固具有一定的指导意义。     

深井综放工作面沿空留巷围岩控制技术研究

深井综放工作面巷道在采动影响前,主要是受巷道掘进阶段影响,受扰动影响较小。围岩变形的力学机理是围岩松软,刚度低,蠕变能力强,其控制机理主要是强化、侧限、悬吊和抗剪,主要是采用高强度的锚杆支护技术;而工作面回采阶段,沿空留巷围岩受扰动影响大,对充填体的冲击大,围岩变形的力学机理主要是强烈的开采扰动,其主要的控制机理是降扰,相应的控制技术是采用高强度的超前液压支架支护技术。     

无煤柱开采巷旁充填体力学环境及适应性研究

通过对无煤柱沿空留巷采场覆岩运动和岩层破断规律进行分析研究,得到随着采场工作面的推进,老顶岩梁裂断形成的砌体岩块相互铰接形成“类拱”结构,并提出了无煤柱开采围岩控制对象主要为在“类拱”结构内对采场侧向支承压力有明显影响的岩梁,对其采用“给定变形”的控制思路;建立了由采场沿空巷道实体煤帮、巷旁充填体和采空区矸石共同承载无煤柱沿空巷道围岩结构力学模型。以赵官煤矿1706东工作面为工程研究对象,进行了巷旁充填体工作阻力和协调变形理论计算,根据计算结果,采用正交试验法对巷旁充填材料进行配比研究,并进行了充填体力学特性实验分析,得到适应无煤柱采场沿空巷道变形、具有良好承载性能的新型巷旁充填体。现场实测结果表明,新型巷旁充填体能够达到无煤柱开采围岩控制的预期效果,为煤矿安全绿色开采提供了新途径。     

矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用

矿山围岩应力与结构演化机理是深部煤炭资源开采围岩控制的关键科学问题。开展采场和巷道围岩应力演化与变形破坏监测,是掌握应力场动态迁移规律,分析覆岩分区破裂、结构演化的重要手段,也是实现井下灾害超前辨识和危险区域感知预判的基础。近年来光纤传感技术在解调原理、传感器研发方面取得了长足的进步,可实现不同尺度的围岩应力、变形,大范围、分布式动态监测,成为了岩体变形破坏的重要监测手段之一。分析了光纤传感技术在矿山围岩变形与破坏监测方面的应用进展,总结了用于采场和巷道围岩变形监测中的光纤传感理论及适用特点,归纳了光纤传感系统布设方法与安装工艺,讨论了采场覆岩"横三区、竖三带"分布,覆岩结构演化,支承压力分布,顶底板变形特征的光纤表征机制,介绍了光纤传感技术在矿山围岩变形表征中的最新成果。结果表明:光纤传感技术在矿山围岩监测中的应用仍处于现场应用研究阶段,在智慧矿山建设背景下,采场和巷道围岩变形监测技术向多参数、智能化、实时动态监测发展,光纤传感技术存在多参量、多尺度传感器研发,多维度光纤传感系统及布设工艺,大数据光纤传感数据智能分析系统构建等研究热点。研究成果对推动矿山围岩光纤传感智能监测技术研发与应用具有积极意义。     

基于采动岩层控制的煤炭科学开采

煤炭科学开采是煤炭行业追求的目标,采动应力与岩层控制研究可以促进煤炭安全开采、提升自动化与智能化开采效率、保护地下水与地面环境、实现煤炭及共伴生资源协调共采,是实现煤炭科学开采的基础。采动应力可数倍于原岩应力,偏应力和采动卸压是促使围岩破坏的主要因素,在一些长工作面顶板会发生分区破断现象,要充分重视采场围岩控制的系统刚度原理,对一些特厚煤层和薄基岩煤层开采的顶板运动及载荷边界尚不清楚。随着开采理念和技术进步,岩层控制研究也遇到了一些新问题,今后需更多地关注覆岩运动、底板破坏与突水、裂隙岩体、地质构造等问题。由于煤炭开采更多研究的是岩层破坏后的力学行为,破坏后的岩层是以块体组合、非连续体为主,其宏观运动以接触面位移、大变形为主要特征,需要提出针对性的研究方法,开发专用的仪器设备,完善煤炭开采岩层控制研究体系。     

煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题,以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景,分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法,从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面,揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念,采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律,阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料,研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备,形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数,并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明,巷道围岩协同控制技术应用后,巷道变形量降低50%以上,锚杆、锚索破断率降低90%,工作面采动应力明显减小,有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后,对下一步的研究工作进行了展望。     

沿空巷道切顶围岩变形控制机理及工程应用

为减少薄-中厚煤层开采工作面区段煤柱损失,提出了切顶法沿空成巷无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面运输巷内,采用张拉聚能爆破在运输巷顶板与采场侧向顶板间形成一条切缝结构面,该结构面可阻滞采场侧向顶板移动压力向沿空巷道围岩的传递,并促使侧向顶板沿切缝切落,切落矸石则隔断采空区而形成运输平巷采空区侧巷帮,矸石碎涨后充填冒落空间支撑上位岩层继续移动,从而实现沿空巷道稳定。沿空巷道切顶力学模型的理论与数值分析结果显示,巷旁爆破切缝将可传递采场岩层移动变形压力的岩梁结构改变为沿切缝切落的短臂岩梁结构,大大降低了沿空巷道受采场侧向岩层移动变形压力的作用,减小了沿空巷道围岩压力及变形量。基于该原理提出的巷内加强支护、巷旁密集支护、巷道顶板切缝等主被动联合切顶技术,在各种不同条件下薄煤层、中厚煤层切顶成巷工程实践中均取得了良好效果,实践表明,该方法可有效降低采场岩层移动对沿空巷道产生的压力,减小沿空巷道围岩变形。     

破碎围岩条件下大断面巷道动力失稳分析

破碎围岩条件下大断面巷道开挖必然形成大范围采空区,该区域内围岩介质的变形失稳行为很复杂,这为工程失稳及灾害防治带来挑战。羊场湾煤矿位于西部强震区域,岩体节理与裂隙非常发育,主采的2#煤层顶底板岩层松软破碎,开挖断面最大达20.4 m2,多次发生冒落失稳现象。文章首先进行了现场工程动力失稳分析,结合松动圈测试技术和数值模拟试验,系统地分析了松软破碎围岩局部化变形与演化失稳特征和规律;最终确定了巷道的支护形式与参数,确保了巷道安全与稳定,这对破碎围岩条件下煤矿安全开采具有重要意义。     

软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究

针对张双楼煤矿西大巷围岩力学性质,主要是膨胀性泥岩在浅部遇水破碎、扩容的特征、深部膨胀特征,通过现场测试、建立力学模型、数值计算,对西大巷稳定性的力学效应、受采动影响时围岩塑性区及破碎区宽度及变形与采动支承应力的关系分析,分析在采动支承应力作用下的软岩巷道,其围岩破碎区、塑性区的范围,巷道变形与破碎围岩塑性区范围、峰后强度、支护的关系,研究动压软岩巷道围岩变形机理、软岩巷道围岩流动规律,提出了深井巷道围岩控制的“内、外结构“稳定性原理。针对西大巷围岩地质条件,依据研究的成果,寻求巷道稳定控制技术,并通过工业性试验检验,使得西大巷由研究试验前的强烈变形到研究后的基本稳定。     

软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究

针对张双楼煤矿西大巷围岩力学性质,主要是膨胀性泥岩在浅部遇水破碎、扩容的特征、深部膨胀特征,通过现场测试、建立力学模型、数值计算,对西大巷稳定性的力学效应、受采动影响时围岩塑性区及破碎区宽度及变形与采动支承应力的关系分析,分析在采动支承应力作用下的软岩巷道,其围岩破碎区、塑性区的范围,巷道变形与破碎围岩塑性区范围、峰后强度、支护的关系,研究动压软岩巷道围岩变形机理、软岩巷道围岩流动规律,提出了深井巷道围岩控制的"内、外结构"稳定性原理.针对西大巷围岩地质条件,依据研究的成果,寻求巷道稳定控制技术,并通过工业性试验检验,使得西大巷由研究试验前的强烈变形到研究后的基本稳定.     

复合动力灾害危险下被保护层回采巷道位置优化

针对突出煤层中回采巷道围岩易受采动影响而产生应力集中,存在围岩冲击动力失稳危险,进而可能诱发冲击-突出复合动力灾害的难题,以淮南矿区朱集西矿保护层开采为工程背景,分析了影响煤岩冲击-突出复合动力灾害的主要因素,计算了被保护层卸压范围,模拟分析了被保护层中回采巷道布置在不同位置时其围岩应力峰值、塑性区范围及峰值点煤岩应力梯度的变化特征,确定了被保护层回采巷道复合动力灾害防治优化区及局部预警防治措施。结果表明:采深、煤岩力学性质、煤岩结构、构造应力是影响煤岩复合动力灾害的主要因素;保护层开采可降低被保护层煤岩冲击-突出复合动力灾害危险性;保护层回采后,被保护层中回采巷道位置从外错向内错变化时,其围岩应力峰值、峰值点处煤岩应力梯度逐渐降低,围岩塑性范围先增大后减小;确定被保护层回采巷道内错17~30 m范围为防治煤岩复合动力灾害优化区。     

深部采动影响下硬岩巷道围岩稳定性数值模拟研究

深部巷道围岩稳定性与开采扰动密切相关.以红透山铜锌矿-767 m中段13#、14#采场斜坡道为工程背景,根据现场地质调查和岩石力学实验,进行岩体质量分级和岩体力学参数估算;依据矿山采矿计划,建立数值模型,分析采动影响下巷道围岩的应力、塑性区和位移变化规律.结果表明:在距离巷道帮部和顶板0.5 m和1.0 m范围内最小主...