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。     

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制研究

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压具备高隐蔽性、强破坏性、难防护性和长延续性的破坏特征,煤矿现场难以有效预警和防治。以巨野煤田某矿2305S工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制。探讨了深厚表土综放采场岩–土地层初次、周期联动的空间结构和力学特征,设计了深厚表土综放采场断层煤柱承载地层传递载荷、上覆自重载荷和断层构造载荷的估算方法,提出了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压的力学判据。根据模拟应力增速演变规律将断层煤柱回采过程划分为蓄能阶段和临界阶段,其中临界阶段整体失稳冲击危险水平快速提升。揭示了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制：断层与沿空面斜交形成的断层煤柱具备高水平的基础应力,当工作面推进至岩–土地层初次联动阶段时,走向地层传递载荷提高了断层煤柱的应力水平,同时连续推采条件下其承载面积不断减小,当载荷量超过弹性承载区的失稳阈值时即发生整体失稳型冲击地压。设计了此类型冲击地压治理方案,包括采前整体冲击危险评估、井地联合区域监测–弹核应力局部预警、分级承载多层卸压设计。     

冲击煤层煤柱变形与地面建筑物保护关系研究

保护煤柱合理宽度(或停采位置)是确保地面重要设施长期稳定的关键。以山东某矿地面引水渠("南水北调"工程组成部分)下不规则下山保护煤柱宽度设计为工程背景,首先,通过分析煤柱变形可能引起地面建(构)筑物的破坏方式,提出了控制长期高应力作用下冲击煤层煤柱变形的原则:1走向方向煤柱不发生冲击失稳破坏;2走向方向煤柱不发生煤体长时强度降低而导致的失稳破坏;3倾斜方向煤柱保持均匀变形,从而使地面不发生明显拉伸破坏。其次,依据煤柱上方覆岩空间结构形式,建立了煤柱应力估算模型,提出了保持煤柱长期稳定及地面建筑安全的煤柱设计方法。最后,应用研究成果,分析了工程案例的煤柱应力、围岩稳定性和变形特征,并对该引水渠工程和井下开采设计进行了安全评估。该研究成果对类似开采条件下的保护煤柱宽度确定具有指导意义。     

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测     

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。     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

走向条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型

走向条带煤柱的破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程。在建立走向条带煤柱力学模型的基础上,应用突变理论建立了走向条带煤柱滑移破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式。该突变模型考虑了地下水对条带煤柱稳定性的影响,认为地下水的作用主要是通过软化煤柱弹性核区的强度、降低煤柱弹性核区的刚度从而降低条带煤柱的稳定性。并根据模型对走向条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析。为条带开采煤柱的稳定性及破坏失稳研究提供了新的理论方法。     

厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究

通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析,采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度。研究结果表明:基岩风氧化带内粘土矿物含量高、渗透能力差、再生隔水能力强,具有阻止和抑制导水裂高发展的双重作用,采动后覆岩呈整体弯曲缓慢下沉运动,有效导水裂隙带的发育高度与冒落带高度基本一致。研究结果应用于芦岭矿810#采区,在防水煤柱内进行放顶煤开采,经过两个工作面的成功试采,已安全采出煤炭约40×104t,采出率达86.7%,取得了显著的经济效益。     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

工作面动压影响下老窑破坏区煤柱应力状态研究

通过调研汾西矿区内老窑破坏区地质条件、顶底板岩体特性及水文条件,利用瞬变电磁法对汾西矿区新柳煤矿典型老窑破坏区进行精细地质探测,并在地质探测基础上构建破坏区相似模型,分析破坏区内煤柱应力状态受工作面回采动压影响的变化规律.结果显示,工作面回采过程中,开始阶段煤柱应力一直维持在初始状态,基本无变化.当距工作面62.5 m左右时,煤柱应力开始增大;距离工作面12.5～25.0 m时,煤柱应力骤然增大.回收煤柱时,由于受工作面动压的影响,工作面前方煤柱内的弹性核处于高度受压状态,一直处于较高的应力水平,而且弹性核随着工作面的推进逐渐前移,对工作面的安全回采造成极大危害.因此,应当采取超前卸压的措施破坏煤柱内的弹性核,以保证煤柱回收工作安全高效地进行.     

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。     

地下开采上覆巨厚岩层断裂机制研究

 以巨厚岩浆岩下采矿工程为背景,运用弹性基础厚板理论研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响以及岩浆岩变形规律与破坏模式。研究结果表明：随着工作面的推进,覆岩逐渐垮落,岩浆岩下方开始出现离层;当作面推进到一定长度时,巨厚岩浆岩层的上表面的边缘中点处应力达到岩体抗拉强度而破裂;随着工作面推进长度的加大,中面长边中心点由于剪应力达到岩体的抗剪切强度而发生剪破坏,随后岩层的上表面的中点处应力达到岩体强度产生拉破裂,并向四周扩展,最后中面短边中心点由于剪切作用发生破坏。当工作面宽度加大时,开始出现破裂的工作面推进长度减小。