浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。     

多层叠加煤柱覆岩结构特征及对下伏煤层矿压显现影响

大同矿区侏罗系煤层群开采过程中遗留多类大型煤柱,其对下伏石炭系煤层矿压显现具有重要影响。通过比值判别法和极限平衡理论等方法,确定侏罗系地层遗留多层叠加煤柱覆岩可形成"倒梯形孤岛覆岩结构",并建立"倒梯形孤岛覆岩结构"的力学模型,揭示不同尺寸"倒梯形孤岛覆岩结构"对下伏石炭系煤层影响的定量关系。分析表明,当煤柱体宽度在30~120 m范围时,"倒梯形孤岛覆岩结构"使石炭系煤层应力场较原岩应力提高了91%~259%,当叠加煤柱体宽度为80 m时对石炭系煤层影响最大。现场微震监测表明,石炭系煤层8104工作面在通过侏罗系大型重叠煤柱区域时,微震事件密集分布,微震事件能量级别较高(达到10~6 J),理论分析和现场监测具有较好的一致性,研究成果可为石炭系煤层工作面通过侏罗系遗留大型叠加煤柱体时顶板管理、强矿压显现预测与控制等提供理论支持。     

浅埋近距离一侧采空煤柱下切眼位置对推出煤柱压架灾害的影响规律

针对浅埋近距离煤层工作面在推出上覆一侧采空煤柱过程中普遍出现的压架现象,以神东矿区石圪台煤矿1-2煤一盘区4个工作面的开采实例为背景,就一侧采空煤柱下切眼位置对压架发生的影响规律进行研究,由此提出避免出一侧采空煤柱压架的切眼位置确定方法.结果表明:随着一侧采空煤柱下切眼位置逐渐远离煤柱边界,煤柱上方关键层在工作面推出煤柱时的破断形态将随之改变,即由无法破断转变为大跨度悬臂式破断再转变为先初次破断后周期破断,最终影响到压架的发生及其强度.若在近距离煤层间存在关键层时,则煤柱上方关键层的破断形态还将受到该关键层破断与否及其破断形态的影响.由此针对煤层间是否存在关键层,按照切眼布置位置的不同将工作面出一侧采空煤柱的开采划分为2类7种.据此提出保证煤柱上方关键层不发生破断或其破断块体的回转对支架不产生影响的切眼位置确定方法,为压架灾害的防治提供参考和依据.     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

基于微震监测关键层破断诱发冲击地压的物理相似材料模拟实验研究

为研究冲击倾向性顶板破断及其能量释放规律,采用物理模拟材料模拟实验,结合微震监测仪器、压力传感器,研究实体煤和采空区下回采工作面微震事件的分布特征及其与矿压分布规律之间的关系,分析矿压对煤岩体能量积聚与释放的影响,揭示关键层破断诱冲机制。研究表明:实体煤下微震事件主要发生在工作面前方顶板岩层中,微震事件能量释放值高于采空区下;采空区下微震事件主要发生在工作面后方顶板岩层中,微震事件发生的频次高于实体煤下回采。依据相似定理推导了能量相似比公式,定义物理相似材料模型中覆岩垮落发生大事件的能量值为333.33 J,发现大事件多发生在应力增高区"倒梯形"结构附近。随着工作面距离开切巷距离的缩短,微震事件能量积聚与释放周期随之减小。关键层破断诱发冲击地压时,主关键层积聚弹性能为冲击地压显现提供能量,冲击地压显现的位置一般处在受采动影响的应力增高区。为此,提出控制源头、降低应力集中、降低应力传导效率的控制策略,工程实践效果监测表明工作面顶板得到了有效控制,保障了安全生产。     

神东矿区近距离煤层出一侧采空煤柱压架机制

 针对神东矿区石圪台煤矿1-2煤一盘区多个工作面在推出上覆1-2上煤一侧采空煤柱过程中发生的压架事故,采用现场实测、理论分析和模拟试验,对压架发生的机制及其防治对策进行研究。结果表明：下煤层切眼布置于上覆煤柱区下方,造成工作面回采期间经历由煤柱区进入采空区下的开采过程,即为出一侧采空煤柱的开采。在此过程中出现的压架存在2种类型,当切眼距煤柱边界较远而大于煤柱上方关键层的初次破断距时,则出煤柱时该关键层将处于周期破断状态,并与煤柱边界采空区一侧已断块体形成非稳定的三铰式结构,该结构的相对回转运动传递的过大载荷是压架发生的根本原因。当切眼距煤柱边界较近而介于煤柱上方关键层的初次破断距和周期破断距之间时,则出煤柱时该关键层将呈现悬臂式破断,由于其破断跨度较大,将造成支架载荷的过大而压架;同时,若此破断跨度超过该关键层1.7～1.9倍的周期破断距时,其压架强度将明显增高。模拟试验和工程实践表明,缩小下煤层切眼距煤柱边界的距离使得煤柱上方关键层不发生破断,可有效防治出一侧采空煤柱开采的压架。     

采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用

决定采场冲击地压的基础应力主要是重力和构造应力,诱发冲击的力源主要是采场上覆岩层结构运动产生的应力,而上覆岩层多变的结构形式和运动规律是导致冲击地压机制复杂、冲击形式各异的主要原因。通过研究采场边界条件与覆岩结构的关系,以矿山压力和岩层控制理论为基础,提出了影响采场冲击地压应力场的"载荷三带"岩层结构模型,并阐述了"载荷三带"对工作面侧向及走向支承压力的影响。基于"载荷三带"模型,研究了采场冲击危险性的评价、监测和防治方法。采用提出的"载荷三带"模型,能够对采场可能发生的冲击地压进行分类和危险性判定,为针对性治理冲击地压提供理论依据。     

上行开采过程中危险源分析及现场验证

以某煤矿近距离坚硬顶板煤层上行开采为工程背景,通过理论计算、相似模拟与数值模拟相结合的方法,综合分析了下部煤层中的A603工作面和上部煤层的A6-103上行回采工作面的回采过程中的覆岩破断形态和应力演化规律,并结合现场微震监测结果,将A6-103工作面的整个回采过程分为正常回采阶段、过渡阶段及上行开采等三个阶段。在此基础上,通过对三个回采阶段的对比分析,认为过渡阶段由于受A603采空区边界支承压力和A6-103工作面超前支承压力的叠加影响,使得A603采空区切眼附近、存的易失稳的"悬空结构"成为上行工作面的最大危险源,所以过渡阶段的危险性最大。据此,现场针对该危险源结构采取了预裂爆破、注浆充填及调整推进度等安全保障措施,保证了A6-103工作面的安全回采。     

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)西南地区某深埋隧道花岗岩破坏机理与前兆特征研究;(2)层状板岩隧道大变形控制参数优化数值模拟分析及现场试验;(3)含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取;(4)近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构演化特征及其稳定性研究;(5)岩石–混凝土界面粘结强度冻融劣化模型及试验分析;(6)基于渗流–侵蚀理论的岩溶充填介质注浆加固效果评价;(7)窄基坑围护墙插入深度优化解析及离心试验研究;(8)考虑衬砌劣化的山岭隧道地震易损性分析。土工基础     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

阜新矿区深部高瓦斯矿井冲击地压研究

阜新矿区冲击地压的特点是发生冲击地压事故的区域地质构造复杂、深部开采、瓦斯含量高且瓦斯压力大，煤层及其顶底板积聚了大量的弹性势能，当煤体受到采掘活动的扰动时，弹性势能释放而发生冲击地压。进入深部开采后，冲击地压开始频繁发生，说明大采深是冲击地压发生的直接原冈。对于高瓦斯矿井，为避免瓦斯灾害而加大瓦斯抽放量，使煤层中大量瓦斯经解吸、渗流而排出，改变了煤体的物理力学性质，造成由瓦斯灾害向冲击地压事故的转变，冲击地压的频度和强度均明显增加。控制瓦斯抽放量可达到既降低瓦斯突出危险又避免冲击地压发生的目的。在有冲击地压危险倾向的采区，采用煤层注水措施，改善因瓦斯抽放造成的煤体脆性度增加的状况，可以降低冲击地压危险。     

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。     

我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究

在对我国冲击地压分布状况进行研究的基础上，将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等三种基本类型，并分别研究其发生机理，提出了通过煤层注水、卸压爆破、机械振动致生岩体裂隙改变煤体性质防治煤体压缩型冲击地压，通过开采解放层、本层煤解放的高压水射流钻孔割缝、留设煤柱改变顶板运动规律防治顶板断裂型冲击地压，通过限制断层移动防治断层错动型冲击地压等有针对性的治理措施。     

近距离煤层上行开采巷道合理布局研究

以翟镇煤矿六采区二、四煤层上行开采为工程背景,为解决上层煤工作面巷道的合理布局问题,采用覆岩组合结构理论、现场实测和仿真模拟的手段,对下层煤采动形成的裂隙带综合形态特征及围岩集中应力分布进行重点研究。结果表明:在组合顶板条件下,裂隙带应是以岩层组为单位呈阶梯状向上发育的,现场实测得到的裂隙带发育高度也验证了上述形成机制;裂隙带空间形态呈现出一个向采空区内侧倾斜的拱形马鞍态,裂缝角为75°~78°;裂隙带内自下向上的分区破裂现象明显,上层二煤处于裂隙带上部的一般开裂区,在该区域布置回采巷道具有较大的可行性;数值模拟结果得到二煤层的断裂位置位于采空区侧3~5 m,内应力场分布范围在采空区侧6~10 m。在对下层四煤采后形成的裂隙带发育高度、空间形态、破裂分区以及集中应力分布进行综合研究的基础上,提出上行开采巷道内错式和外错式两种布局方案,有效避开了裂隙带及集中应力影响范围,取得了较好地现场应用效果。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。     

近距离煤层卸压开采围岩力学特征试验研究

为获得近距离煤层卸压开采卸压层与被卸压层煤岩体变形、破坏特征和围岩支承压力分布规律,根据潘二煤矿7煤和6煤开采地质及工程条件,建立了7煤下行卸压开采和6煤上行卸压开采的相似材料试验模型。通过试验观测与数据分析,获得了单一煤层下行卸压开采(7煤)、上行卸压开采(6煤)覆岩运移、支承压力分布等围岩力学特征及多煤层(7煤和6煤)开采围岩力学特征的叠加演化效应。研究表明,被卸压层中的应力分布及变形特征与卸压层开采布置参数、层间距及岩层结构密切相关,而煤柱留设是影响卸压开采效果及被卸压层安全开采的关键因素,尤其是煤柱下应力集中区的巷道布置、围岩稳定性控制、煤岩动力灾害防治等是下行卸压开采的技术关键。