特殊覆岩空间结构下的支承压力分布研究

本文对红阳三矿西二采区1206工作面掘进期间遇到的特殊覆岩空间结构进行分析,通过对各种剖面结构下的支承压力情况进行分析,做出应力曲线,判断出危险区。     

采场覆岩空间结构观点及其应用研究

介绍了采场覆岩空间结构的概念以及基于微地震定位监测技术研究覆岩空间结构的方法．指出了采场覆岩空间结构按照工作面采动边界条件,可以分为“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型4类;采区与矿井范围内覆岩空间结构的形式,是由厚层坚硬顶板、埋深、工作面和采区之间煤柱以及断层煤柱等决定的,是随着开采阶段的不同而变化的．基于观测实例,阐述了微地震定位监测技术用于监测空间结构的形成过程和范围,以及确定底板有无突水危险、高应力场位置与冲击地压预测、导水裂隙带高度、开采上限、防水煤（岩）柱高度等方面的应用．展望了覆岩空间结构学术观点及其研究方法在采矿工程中的应用前景．     

基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测技术及应用

基于覆岩空间结构理论的基本思想,结合力学分析,研究了“S”型覆岩空间结构的岩层组成、运动规律、应力分布特征,探索了基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测方法.基于山东华丰煤矿微地震监测的结果,证明除了受构造、煤柱等影响区域外,当“S”型覆岩空间结构在工作面推进至单工作面“见方”、双工作面“见方”、三工作面“见方”阶段,由于采场上方覆岩空间结构相互连通,其运动范围和烈度增大,更容易诱发冲击地压.结合华丰矿1410工作面的开采实际,预测了冲击地压发生的时间和地点.     

覆岩破坏与煤体支承压力分布关系研究

针对淄博矿业集团岱庄煤矿4321综放首采工作面,研究了煤层开采后上覆岩层破坏与煤体支承压力分布之间的关系,得出了煤体超前支承压力分布影响范围、煤体破坏内外应力场范围。这对于合理掘巷、合理留设保护煤柱有着极其重要的意义,同时也为开采其他采区提供有益的借鉴意义。     

深部工作面支承压力估算软件开发与应用

快速准确掌握支承压力分布规律对矿山开采设计具有重要意义。通过理论分析建立了不同运动状态工作面静态支承压力估算模型,在此基础上,利用C#开发了支承压力估算软件,介绍了软件的结构与使用方法。以山东某矿1300工作面为例,通过该软件对1300工作面侧向静态支承压力进行估算,现场动力显现与计算结果相符,表明该软件能够有效估算深部工作面支承压力分布规律。     

深井综放开采覆岩微震事件与支承压力关系研究

采用微震监测技术,结合采矿理论,分析了综采采场岩层破裂高度与上覆岩层运动、上覆岩层运动与支承压力、微震事件数量与支承压力之间的关系,并通过有限差分数值模拟进行对比。研究结果表明:工作面周期来压步距为36.3~38.7 m,平均为37.6 m;高位顶板来压步距为50.4~64.8 m,平均为57.6 m;最大的断裂高度为82.5 m,直接顶、基本顶、高位顶板分别为20、30、30 m。     

综放采场围岩支承压力分布及动力灾害的层厚效应

以谢桥矿1151(3)综放工作面地质及开采技术条件为背景,采用大型非线性三维计算机数值模拟,对不同开采高度（3.0,5.4,8.0,12.0 m）进行模拟研究.研究表明：不同采高工作面围岩支承压力分布规律存在明显差异,随着煤层一次采高的增加,工作面煤体内和采空侧煤柱内支承压力峰值呈下降趋势,峰值位置超前工作面距离增大,煤体抵抗损伤应变能的区域变大;工作面侧向实体煤支承压力峰值沿走向在工作面前方与煤层厚度无明显关系,而在工作面后方随采高逐渐降低,峰值位置离煤壁也越远.应用损伤力学和能量法分析了支承压力分布对煤与瓦斯突出层厚效应影响规律,表明综放开采随一次开采高度的增加,采场周围煤岩体内积聚的弹性能降低且抵抗损伤变形的能力增强,有利于减缓动力灾害.     

2-126工作面覆岩移动及超前支承压力分布规律

为掌握2-126工作面回采时覆岩移动规律和超前支承压力分布,通过具体分析工作面的地质条件,采用理论分析与数值模拟的方式进行上覆岩层运移规律的分析,确定基本顶的初次和周期来压步距,以及上覆岩层三带的分布;另外在回采期间通过现场监测的方式对工作面超前支承压力进行分析。结果表明:2-126工作面基本顶的初次和周期来压步距分别约为38.9 m和15 m,工作面垮落带和裂隙带的高度分别约为25 m和75 m,超前支承压力影响范围约为50 m,应力峰值约出现在超前工作面16.7 m的位置.     

采场推进对支承压力影响规律研究

基于采场覆岩运动规律,运用有限差分数值仿真技术对典型采场工作面推进过程进行数值仿真分析。文章着重研究工作面推进过程中上覆岩层破坏和移动规律,以及支承压力和支承压力集中系数随工作推进的变化过程和变化规律。     

“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理

针对“C”型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采空孤岛采场动压致灾机理。结合工程实践,基于微地震定位监测结果揭示“C”型覆岩空间结构应力分布和变化特征,验证了“C”型覆岩空间结构采场采动阶段诱发动力灾害规律。     

不整合地层下开采覆岩移动变异性研究

根据采区地层不整合特点,通过相似材料模拟和数值模拟方法对不整合地层下开采覆岩运动与破坏特征进行了研究。研究发现,不整合面附近地层存在"应力屏蔽"现象,采空区上部压力拱形态发生畸变,呈现出非对称、非规则的压力拱结构形态。覆岩移动变形出现明显差异,导致地表移动盆地反向偏移。研究给出不整合地层下开采覆岩移动破坏与导水性特征分区。     

采空区侧向支承压力演化及微震活动全过程实测研究

为获取工作面回采过程中采空区侧向支承压力演化及微震活动全过程特征,利用双巷布置工作面外圈巷道布置煤层应力及微震监测装置,通过连续6个月监测分析发现：工作面回采后,采空区侧向53 m范围内煤层垂直应力不同程度调整,直至工作面后方300 m趋于稳定;采空区侧向煤层垂直应力走向上呈现出5个阶段性特征,在倾向上呈现5个区间性特征,基于实测数据得出了各阶段、各区间内煤层垂直应力及弹塑性演化规律。采空区周围微震分布呈现反“C”型,采空区边缘微震活动持续时间显著大于中部。背斜构造区采空区边缘顶板岩块更易铰接成稳定结构,出现滞后型动载荷。采空区侧向覆岩结构构成及活动性与前方差异明显,并导致了两个方向上的支承压力特征差异。将研究结论应用于煤柱宽度的优化、临空巷道掘进时机的确定、留巷动力灾害危险区域划定等。     

煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制研究

煤层开采后,上覆岩层发生破断运动,对巷道和回采工作面施加静载荷和动载荷,诱发煤层顶板和冲击矿压灾害。而上覆岩层的运动不仅是单个工作面回采的结果,也可能是多个工作面回采共同作用的结果。微震监测表明,对于采用小煤柱护巷,尤其是覆岩中存在厚层坚硬关键层的矿井,冲击矿压震源往往集中在相邻采空区中的厚硬岩层中,说明煤矿覆岩在空间上存在着结构,并且采空范围(边界条件)不同,覆岩的空间结构是动态演化的。空间结构演化与失稳过程中造成的冲击矿压动力灾害称为覆岩空间结构失稳型冲击矿压。为了揭示此类冲击矿压的机理,提出煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制,并采用实验室物理模拟试验、FLAC3D数值模拟试验、理论分析和工程实践4种方法进行研究。煤矿覆岩破断后的形态是空间结构,空间结构的形成与失稳是动态演化的。煤矿覆岩在层面方向上各关键层破断成"O-X"形态,不同层位的"OX"结构形态空间上形成柱台体,与之相邻的边界覆岩在竖向剖面上形成"F"型结构。覆岩层面方向破坏的"OX"结构向上发展,剖面方向上的"F"结构也会发生破断失稳。因此,"OX"与"F"结构及其相互转化构成了煤矿覆岩的整体空间结构形态,"OX"与"F"结构的形成与失稳不断进行,称为煤矿覆岩空间结构的动态演化循环。考虑顶板断裂线、煤柱稳定性与动态破坏3个因素,给出覆岩空间结构动态演化的条件判据,根据工作面受"OX"与"F"的影响程度不同,将工作面分为"OX","F"及"T"型空间结构工作面,并根据关键层的破断特征进行详细分类。通过实验室相似材料试验,模拟多工作面连续回采时"OX","F","T"型工作面的空间结构的形成与演化规律。FLAC3D模拟表明覆岩性质不变的情况下,采空区范围不同,煤层应力集中程度的规律为:短臂对称"T">非对称"T">短臂"F">长臂对称"T">长臂"F">"OX",而关键层的来压次数则是长臂结构>短臂结构。"OX"工作面应力集中随工作面宽度线性增大;短臂"F"工作面,长度增加有利于整个工作面范围内支承压力的降低;长臂"F"工作面,工作面加大,端头支承压力将降低,中部支承压力将升高;孤岛"T"工作面加大工作面宽度对工作面端头与中部的应力降低均有作用。基于弹性板与关键层理论,分析了"OX"结构破断与形成过程,给出了基于纳维解法的应力精确解,提出了"F"结构存在主动与被动两种失稳模式,被动失稳能导致下位结构呈整体滑落失稳,失稳速度快,厚度大,冲击力强,危险程度高于主动失稳过程。覆岩空间结构失稳型冲击矿压的本质为动静组合加载的复合型冲击。从应力、能量与震动效应构建了表示冲击发生的判据。动静组合加载的模拟表明,在动静载之和相等的情况下,高静载+低动载的组合方式冲击危险性高于低静载+高动载的组合。针对覆岩空间结构失稳型冲击矿压的特点,建立了以动静载应力场监测为基础,以空下巷道布置、定向高压水力致裂为关键技术的预防体系,通过济三煤矿"F"工作面63下05与"T"工作面163下02C的防冲实践验证了论文提出的覆岩空间演化诱冲机制能够有效地指导现场防冲工作。     

西部煤层开采覆岩垮落及矿压显现影响因素研究

西部矿区高强度开采引起覆岩变形-移动-破断是造成顶板大面积切落、突水溃沙等地质灾害以及水土流失等环境损伤的根源。采用数值模拟、现场微震监测和理论分析相结合的方法开展西部矿区煤层覆岩垮落及矿压显现规律影响因素研究。以小纪汗煤矿为例,开展了覆岩层变形、破断、垮落、“三带”形成规律的研究,以及不同开采速度下矿压显现规律研究,揭示了不同采高和开采速度对煤岩破坏的影响规律。现场微震监测结果表明,不同的推进速度会造成工作面不同的应力调整范围和不同的应力调整完整程度。通过2者综合分析,系统揭示了西部煤层覆岩垮落特征及“三带”形成演化规律,为建立高强度开采下覆岩结构破断规律及其稳定性判据的提出提供了科学依据。     

大采高厚煤层采场覆岩结构与运动分析

覆岩结构及运移特征受工作面采出空间影响较大,其对工作面围岩矿压显现程度起主要控制作用。以某煤矿2-106大采高综采工作面采高对上覆岩层结构及运动特征影响的问题为背景,采用数值计算和现场实测相结合的方法,对不同采高时的覆岩结构及其运动特征进行了研究,得到了工作面覆岩运动特征、冒落带高度及离层量受采高变化影响的规律。结果表明:随着采高增大,上覆岩层运动更加剧烈,采动影响范围增大,冒落带高度非线性上升,煤壁片帮的趋势增加,裂隙带的高度、离层最大值增加。研究结果在现场实测中得到了验证。     

条带开采覆岩破坏高度探测与分析

根据钻孔漏失量法和彩色钻孔观测资料,对条带开采覆岩破坏高度进行了分析,提出条带开采条件下覆岩破坏规律,对条带开采在水体下采煤领域的应用有一定指导作用。     

大倾角综放工作面超前支承压力实测

为了使煤矿回采工作面安全、高产高效开采,针对开滦赵各庄矿地质采矿技术条件,利用深基点观测法,在3237综放工作面设置矿压观测站,对大倾角综放面顶煤的不同层位的超前支承压力进行了现场观测.掌握了大倾角条件下综放面矿压显现的规律;对支架的适应性、支柱载荷、超前支承压力等问题进行了分析,目的是防止掘进巷道和回采巷道顶板的灾害事故的发生.