“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。     

采场动态结构力学模型的仿真及其应用

以“以覆岩运动为中心的矿压理论”体系为核心内容,兼容当代最新的矿压理论研究成果,运用最新的信息技术手段,建立了采场动态结构力学模型;推导了覆岩裂隙带运动方程;导出了计算采场支承压力分布范围和计算内应力场分布范围的力学表达式。建立了采场上覆岩层(运动)数字化模型,并实现了动态可视化仿真系统。论文所取得的主要结论如下: (1)采场四周煤体上的支承压力主要来源于采场上方已经发生运动的岩层。从形状上看,该部分岩体为一上大下小的截头方锥体。在工作面开始回采初期,该截头方锥体的上下端面是相同的,可以看作是一个长方体,随着工作面的推进,该截头方锥体的上下端面都在不断扩大。在上端面上表现为地表移动范围的不断扩大;在下端面表现为支承压力分布范围的逐渐增加。大量的实验和现场工程实践证明,在工作面从开切眼开始推进到推进距离大约为工作面长度左右时,该截头方锥体的上下端面相对于中部以采空区边界为断面的长方体的扩展发展到最大。根据三维结构力学模型建立采场四周煤体上支承压力平衡方程,推导出了支承压力和内应力场分布范围的计算表达式。 (2)在建立了采场上覆岩层数字化模型的基础上,采用具备OOP特征的程序设计语言Visual Basic 6.0,开发了采场上覆岩层运动规律动态仿真系统。该     

采场覆岩运动仿真系统

采场覆岩的运动及采场周围支承压力分布的变化是导致采场顶板事故的最主要原因.通过对采场覆岩运动规律的总结和完善,开发了"采场覆岩运动仿真系统".该系统可以根据采场的覆岩条件及开采参数,预计采场覆岩的运动规律,为安全开采提供科学依据.     

煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究

 煤矿工作面高强度、大尺度快速推进,导致采场覆岩运动范围增大,空间结构复杂。多工作面情况下,工作面与采空区覆岩结构协同运动,相互影响,造成的矿山动力灾害,称之为覆岩空间结构失稳型动力灾害。根据工作面上覆岩层边界状态的不同,将覆岩空间结构分为OX,F与T型3类。研究OX-F-T演化特征,即顶板O-X破断形成的OX结构为覆岩基本形式,同时又作为相邻工作面的边界条件,一侧为OX结构形成F型覆岩结构,两侧存在OX则形成T型覆岩结构。阐述不同结构的断裂运动规律,并将各结构进行详细分类。利用现场SOS微震监测系统,分别选取代表OX,F与T覆岩结构的单一工作面、双工作面、孤岛工作面,分析各工作面开采过程中的震源分布规律。针对不同覆岩结构特征,提出不同的防治措施,为冲击震动的预防工作提供理论指导。     

煤矿采场上覆围岩变形特征分析

以四川攀枝花茶叶树煤矿的地质条件为依托，针对茶叶树煤矿35号煤层采场上覆岩层的活动规律进行了研究，通过理论计算和现场检测，分析了煤层开采后上覆岩层移动规律、破坏特点及上覆岩层垮落范围，介绍了覆岩“三带”的大概范围，为深入认识煤矿采场覆岩变形特征提供了指导。     

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。     

长壁采场覆岩空间结构探讨

基于微地震定位监测技术监测岩休在三维空间破裂的成果，以及多种边界条件工作面岩层运动和应力场的观测结果，提出长壁采场覆岩空间结构的概念，并根据采场的边界条件．将覆岩空间结构分为中间育支撑的“e”型、中间无支撑的“O”型、“S”型和“C”型4类。基于观测实例，阐述微地震定位监测技术用于监测窄间结构的形成过程和范围、采空区边缘煤体内应力计用于反演综采放顶煤采场中间无支撑空间结构内部的覆岩运动、“孤岛”煤体应力计用于判断中间有支撑空间结构煤柱变形方式等多种观测方法及这些方法在覆岩空间结构研究中的综合应用途径。最后，展望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。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

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。     

考虑主应力轴偏转影响的远场拱壳围岩压力拱效应表征

拱效应是开挖区周围岩土体压力迁移及重分布的综合表现,广泛存在于矿山地下工程自承载区围岩。针对采场覆岩断裂拱外部存在远场拱壳结构的实际特点,基于Terzaghi土拱效应原理解析开采卸荷作用下岩层主应力矢量偏转响应特征,通过讨论主应力轴偏转影响下采场覆岩竖向压力主动释放状态及垂直应力分布特征,分析远场围岩压力拱关键部位压应力成拱指标。利用FLAC~(3D)数值软件对采场覆岩主应力矢量偏转成拱规律进行模拟计算,结果表明:远场围岩主应力偏转角由初始最大主应力、侧压系数和采动后剪应力增量及主应力差变化率控制,同一层位覆岩主应力偏转角沿采空区跨中向边界呈递减分布,悬露岩层垂直应力随主应力偏转角增大而降低,压力拱拱顶主应力偏转角、主动压力系数及成拱指标峰值大于拱脚区域,拱脚及拱腰部位升高的垂直应力表现为支承压力。根据解析得出的岩层竖向压力释放力学判据和压应力成拱指标,表征了主应力轴偏转影响下远场围岩加卸载状态和拱效应演化特征。     

采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究

介绍了用微地震定位监测技术揭示的采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系。认为存在 4种由采动引起的岩体破裂类型。展示了 3种典型采动边界条件下覆岩破裂与采动应力场的关系。提出了由微震事件分布推断区段煤柱稳定性的方法。     

长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测研究

上覆岩层的断裂失稳下沉是造成工作面矿压显现的根源。采用微震监测技术对长壁工作面见方期间围岩破坏的整个过程进行监测,研究长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系,揭示大能量微震事件发生和工作面围岩异常矿压的物理力学机制。同时,统计研究采场煤壁片帮和支架工作阻力的动态变化规律。微震监测与宏观矿压观测综合对比研究表明,见方期间的开采影响范围比正常开采时大,围岩释放能量也达到极大值。研究结果证实了采空区见方期间工作面将发生异常矿压,能够为见方期间冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等矿井动力灾害防治提供针对性的指导。     

四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践

论文通过理论和实践研究,提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题,是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题,是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例,系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明,论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用。     

近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析

为研究近距离煤层群多次开采对覆岩运移的影响,根据潘二煤矿近距离煤层群(8、7、6、5煤)地质和开采技术条件,采用相似材料模拟试验开展了下行开采覆岩运移特征研究。分析得出了多次开采覆岩变形、破坏及运移规律,近距离煤层群多次开采与单一煤层开采形成的覆岩宏观运移形态和特征相似。随着开采次数增多,覆岩下沉系数呈线性递减。多次开采覆岩变形、破坏至连通的时间和空间位置关系与开采厚度、开采次数、层间距及层间岩性等因素密切相关。研究表明,覆岩运移的多次演化叠加不仅是影响顶板来压和控制、瓦斯抽采布置和效果的关键因素,也是采动应力演化致灾的主导因素。     

蹬空条件提高回采上限开采设计与工程应用

为延长矿井服务年限,多回收煤炭资源,部分煤矿进行了卸压开采后(蹬空)提高回采上限开采。针对蹬空提高回采上限开采过程中工作面设计、矿压控制、安全开采等方面存在的问题,结合张集矿8煤和11煤开采地质和工程条件,采用理论计算和FLAC^3D数值模拟试验,获得了蹬空与非蹬空开采覆岩运移和支承压力特征,揭示了二次开采采动应力演化机理。基于11煤1724(1)工作面蹬空及提高回采上限开采的可行性评估分析,提出并实施了提高回采上限开采技术方案。工程应用表明:蹬空条件提高回采上限开采是可行的,为类似条件工作面开采设计提供了参考。     

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。     

超长孤岛综放工作面支承压力分布规律研究

为对超长孤岛综放工作面围岩稳定性和顶煤冒放性进行控制,采用FLAC3D有限元软件对比分析了超长孤岛工作面的支承压力分布特征。研究老顶上覆岩层应力场的变化规律,分析初采期间和正常推进期间工作面超前支承压力分布规律。老顶岩层内工作面超前支承压力存在两个峰值区域,工作面后方支承压力沿面长方向的中间存在一个峰值区域,两者之间为低支承压力区域。顶煤层位支承压力峰值大于煤层的机采层位,但支承压力的影响范围小于机采层位,且顶煤的极限平衡区宽度较机采层大。工作面正常推进期间较初采期间的支承压力极限平衡区宽度增大,孤岛工作面加长后支承压力峰值系数在初采期间增加,而在正常推进期间降低。超长孤岛工作面减小孤岛工作面侧向支承压力的叠加影响。