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     

大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

深部采煤上覆关键层破断诱发矿震特征研究

随着煤炭开采深度的增加，强矿震频发，严重威胁着井下矿工和地面居民的安全，影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术，研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律，以及煤层开采导致上覆多关键层协同运移破断特征和诱发矿震的能量传播规律。结果表明，深部煤矿开采初期矿震大多集中在低位岩层，随着工作面的推进，矿震逐渐向高位岩层转移，高位厚硬岩层是强矿震的主要孕育、发生基地。深部煤层上覆往往孕育多层关键层，煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动。随着破断岩层总厚度逐渐变大，岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发矿震。工作面回采后，关键层断裂一般会以“O-X”形式呈现，形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大，形成的破断结构亦有主亚之分。研究结果对类似条件下深部煤矿工作面的安全、高效开采具有借鉴意义。     

考虑煤体状态的采动岩体移动规律

在传统采动岩体理论分析中将煤体作为采动岩体的刚性边界,这与现场实际有较大的出入。针对该问题,将煤体视为与其上覆岩层一起协调变形的弹性承载体,对覆岩的初次破断和周期性破断进行了理论分析和数值模拟,结果表明:覆岩的移动规律不仅与其自身性质有关,而且与其下伏支撑体的地基系数密切相关。当下伏支撑体的地基系数小时,覆岩初次垮落步距更小,覆岩初次断裂位置位于岩梁中间,覆岩周期断裂的位置更趋于支撑边界深处,同时支撑体本身的破坏范围更大;反之,覆岩初次垮落步距更大,覆岩周期断裂的位置更靠近支撑边界,同时支撑体本身的破坏范围变小。因此,在煤层开采过程中,覆岩的移动规律不仅需要考虑自身的力学性质,还需考虑其下伏支撑体的状态。在考虑软弱煤层时,不仅应考虑软弱煤层的力学性质,还需综合考虑煤层的开采厚度。     

煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

电阻率法动态监测技术是研究煤层开采后覆岩破坏规律的一种新方法 ,该方法通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器,动态、连续的观测工作面回采前后上覆煤岩体电阻率及供电电流,根据电阻率及供电电流的变化情况分析工作面煤层开采后顶板岩层破坏的形态,查明工作面开采后覆岩"两带"发育的动态变化规律,得到煤层采后顶板"垮落带"和"导水裂缝带"的发育高度。     

断层赋存条件下采场矿压显现规律研究

通过相似模拟研究了2条断层赋存条件下采场的矿压显现规律,并从应力与应变速率角度解释采动与断层相互作用规律。研究结果表明:工作面未进入断层影响范围时,上覆岩层垮落形态与无断层影响时基本相同。当覆岩裂隙与断层贯通之后,工作面进入断层影响范围,老顶周期垮落步距变小,断层处底板应力达到峰值。第1条断层的影响范围为150 m,且与工作面相距70 m时断层出现较大裂隙,相距40 m时断层整体大规模滑动,上盘悬空;第2条断层的影响范围为80 m,与工作面相距30 m时,断层出现明显滑动迹象,相距10 m时,断层整体滑移失稳。相似模拟结果揭示了动压影响下断层滑移与上覆岩层运移规律,断层影响区域内煤层上方100 m以内的覆岩受到较大扰动,位移明显。工作面过第2条断层时对第1条断层有明显扰动,在现场生产实践中,应当防范多断层赋存时的耦合致灾。     

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。     

不同开挖方式下采空区变形规律研究

煤矿采空区上覆岩层变形控制已经成为安全开采的关键环节,是确保工作人员及周边居民生命财产安全的重要因素。为得到合理的煤层开采方式、降低采空区引起的地表沉降,以山东莱芜市北埠煤矿为研究对象,利用FLAC~(3d)模拟软件对不同开挖方式下采空区上覆围岩的变形特征及地表沉降规律展开深入分析,研究结果表明:(1)开挖同一煤层条件下,双向开采引起的变形量大于单项开采;(2)相同采序条件下,单向开采引起的竖向变形与影响范围较小;(3)煤层开采顺序一定时,不同开采方式导致的地表最大沉降值相差不大。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

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

针对近距离强冲击倾向性煤层上行复采覆岩结构演化特征与稳定性问题,以宽沟煤矿B4-1强冲击倾向性煤层复采为背景,建立强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型,提出煤柱最小安全距离的分析方法。采用物理材料相似模拟与数值模拟相结合的方法,运用压力传感器与SOS微震监测系统,对覆岩结构演化、矿压显现以及震源分布特征展开分析,利用覆岩结构的稳定性分析对冲击危险性进行评估。结果表明:B4-1强冲击倾向性煤层上行复采过程中,上部覆岩呈现以关键层为分界的"双倒梯形体"结构与关键层上部岩层集中垮断后的"单倒梯形体"结构动态式演变过程;余煤尺寸较小时上部倒梯形覆岩结构震源集中、能量大,采空区活化区域震源分散、能量小。提出了余煤复采中倒梯形覆岩结构稳定性分析的冲击地压危险性指数I_m、冲击临界位置关键层受力分析的冲击地压危险性指数I_n,定量化分析冲击危险性指数变化趋势,将B4-1煤层复采划分为覆岩相对稳定区、周期性明显破坏区、冲击危险区域3部分。数值模拟分析底板应力验证了双峰值应力叠加效应的准确性。采用三种方法综合分析得到了为确保近距离强冲击倾向性B4-1煤层上行开采的煤柱剩余尺寸为39.2m。研究结果为近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构稳定性研究提供了科学指导。     

富煤一矿水体下采煤可行性分析

根据我国现阶段水体下采煤理论及开采经验,系统地分析和研究了富煤一矿水体下采煤的技术及条件,通过对煤层覆岩条件及其防水特征研究后,认为本矿井的煤层覆岩条件和留设的防水安全煤岩柱特征均有利于水体下开采全部煤层,但地表破坏和覆岩破坏的沟通强度、采深采厚比值的研究结果显示,开采M_(15)号煤层以上的煤层是安全的,开采M_(15)号以下的煤层则需要在开采上部煤层时进行监控监测,以便采取适合本矿井的综合措施后确定能否开采。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

煤矿层状岩体压力拱演化规律的相似模拟

采动作用下的岩体应力转移变化所形成的压力拱特征研究,对于采矿岩层控制和巷道围岩稳定具有重要的科学价值。基于理论分析和相似材料物理模型实验,分析了综放工作面上覆岩层变形破坏形态及其应力转移变化规律,证实了采矿矿压以压力拱的形式转移。研究表明:采煤工作面推进后,伴随着采场岩层应力的不断转移和调整,将在采场岩层中形成一个承担上覆岩层重力的压力拱,其空间形态近似为长轴在开采面推进向短轴与工作面平行向的鸡蛋壳形厚壁结构。工作面初采开始后,随其推进距离的增加,压力拱向周边岩层深部延伸;拱体厚度增大、拱内岩层应力升高。     

Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method

Accidents such as support failure and excessive deformation of roadways due to drastic changes in strata behaviors are frequently reported when mining the extra-thick coal seams Nos.3e5 in Datong coal mine with top-coal caving method,which significantly hampers the mine's normal production.To understand the mechanism of strata failure,this paper presented a structure evolution model with respect to strata behaviors.Then the behaviors of strata overlying the extra-thick coal seams were studied with the combined method of theoretical analysis,physical simulation,and field measurement.The results show that the key strata,which are usually thick-hard strata,play an important role in overlying movement and may influence the mining-induced strata behaviors in the working face using top-coal caving method.The structural model of far-field key strata presents a "masonry beam" type structure when"horizontal O-X" breakage type happens.The rotational motion of the block imposed radial compressive stress on the surrounding rock mass of the roadway.This can induce excessive deformation of roadway near the goaf.Besides,this paper proposed a pre-control technology for the hard roof based on fracture holes and underground roof pre-splitting.It could effectively reduce stress concentration and release the accumulated energy of the strata,when mining underground coal resources with top-coal caving method.     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

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。     

Field trials of aquifer protection in longwall mining of shallow coal seams in China

The large-scale mining of shallow coal seams has a significant impact on the overlying aquifers and surface ecological environment. To protect the aquifers and maximize the coal resource recovery, field trials were undertaken during the operation of the LW32201 in Bulianta coal mine, Shendong, China. With a severely weathered rock (SWR) layer and two key strata (KS) in the overlying strata, aquifer protection in longwall mining (APLM) relies mainly on the rapid advance. In some localized zones, special measures should be taken to achieve the APLM, including lowering mining height, backfill and slurry injection. To further understand the mechanism and applicable conditions of the APLM and validate the effectiveness of the APLM, variation of the water table in the aquifer was observed as the longwall face passed through the zone. This paper also discusses the mechanism and basic requirements of the APLM and the relationship between the fall of the water table and the surface subsidence. The results of the field trials indicated that APLM in shallow coal seams could be successful under suitable conditions.