薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

煤层一次采出厚度变大,导致直接顶冒落高度增加,并且在薄基岩条件下,顶板破断后不容易形成稳定的结构。顶板破断容易导致工作面突水溃砂灾害的发生,严重影响工作面的生产。为了揭示薄基岩、厚松散岩层在高强度开采条件下突水溃砂和顶板切落并发灾害机理,利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台进行了相似模拟试验,以锦界煤矿31406综采工作面为工程背景,试验采用平面应变模型,选取几何相似比为100∶1,结合辅助红外成像仪和超声波探测器等获取了顶板破断时能量的聚集与耗散特征以及裂隙的发育特征。试验结果表明:顶板发生超前破断时,同一岩层产生竖直贯通裂隙,在层理处因岩层强度和厚度不同容易产生"错动"裂隙;突水溃砂和顶板切落并发时产生了明显的动载冲击现象,支架工作阻力会有明显增加,引起压架和工作面发生突水溃砂事故;基于滚动摩擦基本原理建立了滚动摩擦力学模型,揭示了水砂涌入裂隙后导致块体产生滑落失稳的力学机理;水砂体由贯通裂隙进入顶板结构,原有滑动摩擦向滚动摩擦转化,显著降低块体间摩擦力,使顶板产生滑落失稳。结合试验和理论分析得到及时移架,增加支架初撑力,加快工作面推进速度等可以降低突水溃砂和顶板切落灾害发生的...     

宁东矿区复杂难采煤层工作面初采阶段工程实践

复杂难采煤层工作面初采阶段煤岩体灾变过程是朝着不利于采场稳定性方向演化的过程,存在断层活化、煤壁片帮、顶板断裂和溃水溃沙等灾变现象.宁东矿区各矿井面临的开采环境日趋复杂,存在高温、埋深大、倾角大、地应力集中、软岩巷道支护困难、硬岩顶板破断不及时,极大地增加了开采难度.大倾角仰斜开采工作面,采场稳定性是决定安全开采的关键...     

哈拉沟煤矿22402工作面初采期溃水溃沙机理及防治技术

结合哈拉沟煤矿22402工作面初采期煤层覆岩结构特征,对该工作面溃水溃沙事故的原因进行了分析,并提出了对应的防治措施。结果表明,22402工作面初采期煤层覆岩属单一关键层结构,关键层破断发生滑落失稳导致其上覆岩层整体断裂下沉,导水裂隙带导通了含水层与工作面,含水层水带动其上部沙粒溃入工作面而发生溃水溃沙事故。据此从开采前、开采期间和事故应急抢救3个方面,提出了工作面溃水溃沙事故的防治技术。     

多煤层上覆破断顶板群结构演化及其对下煤层开采的影响

采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,首先建立多煤层破断顶板群结构演化模型,推演不同煤层开采时破断顶板群发育扩展高度,获得了“遗留煤柱-破断顶板群结构”共同作用下工作面支护强度计算公式;其次通过数值模拟揭示了破断顶板群结构发育扩展规律;最后进行现场监测验证。结果表明：侏罗系煤层群间距较小,间隔岩层极易破断,易与上层煤已垮落和破断的顶板结构连接,形成破断顶板群结构;虽然石炭系与侏罗系煤层间距较大,但侏罗系煤层破断顶板群岩层重量通过遗留煤柱向下传递,并与石炭系煤层破断顶板共同作用于工作面支架上,致使石炭系煤层工作面支架压力显著增大。本研究有效解释了多煤层开采时下煤层发生强矿压的原因,为大同矿区及类似矿井多煤层开采围岩控制提供了依据。     

单井对流水溶开采盐矿采空区顶板破断机理研究

水溶开采岩盐矿床形成的采空区极易导致地表过度沉降、塌陷、土地盐碱化等地质灾害及环境安全问题,因此如何有效地预测与控制盐腔的顶板垮塌成为亟待解决的问题。首先建立了单井对流法水溶开采盐矿顶板破断分析的力学模型,然后应用弹性无孔圆板理论进行了求解,继而根据求解结果对顶板因局部张拉破损及整体失稳引起的破断机制进行了分析,最后给出了两种破断机制条件下的破坏准则。研究成果为单井水溶开采盐矿中采空区顶板破断的预测与控制提供了重要的理论依据,也为多井对流水溶开采的顶板垮断分析提供了有益参考。     

哈拉沟煤矿四盘区首采面矿压规律分析

通过对四盘区首采工作面矿压观测,揭示了工作面初次来压和周期来压的基本规律,分析了基岩破断、溃水溃沙与来压规律的关系。为工作面防止溃水溃沙、实现保水开采提供了经验。     

采场顶板活动对顶板涌水影响规律研究

采用理论分析和现场实测相结合的方法,分析了工作面顶板涌水与顶板活动规律的相关关系,研究结果表明:采场顶板破断运动已波及上部含水层,工作面涌水水源主要为顶板砂岩裂隙水;顶板砂岩水的涌出量随工作面推进具有周期性的波动变化规律,与顶板的破断失稳规律具有很好的一致性,顶板的破断失稳运动造成覆岩水的流动与突变,顶板水涌出量与顶板富水性的强弱有关。根据顶板的富水性强弱和顶板的破断失稳规律,可进行顶板水涌出的预测和控制。     

近距离煤层下行开采条件下覆岩运移规律研究

为得到清水营煤矿近距离煤层开采过程中,破断顶板层结构的形成、运动规律及能量演化特征,结合矿井地质资料,构建二维物理相似模型试验平台,基于全站仪、千分表、热红外成像等技术进行综合监测,并对破断顶板层结构形成的诱因及其扩展发育特征进行理论分析,得出近距离煤层下行开采过程中,二煤开采对其底板的破坏深度达10.05 m;三煤开采对上覆破断岩层造成二次扰动,覆岩整体下沉量为0.39 m,破断顶板层发育高度达到21.9 m;提出破断顶板层结构扰动下支架载荷由静态载荷与动态载荷构成,为保证工作面支护强度,需提高支架的工作阻力和初撑力;针对松散破断顶板层可采取工作面挂网作人工假顶、预注水泥砂浆固化顶板等方式提高顶板结构的完整性和承载力。     

综放工作面开采顶板变形控制及灾害事故防治

采场顶板稳定性控制对综放工作面开采至关重要,为了研究综放开采条件下顶板变形特征与稳定性控制,以崔家沟煤矿2305综放工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟等方法,对综放工作面顶板破断特征进行分析,首先分析了综放工作面顶板灾害事故进行分析,利用UDEC数值模拟软件对不同推进距离顶板破断特征,提出了顶板灾害事故的防治措施,并对其进行了顶板灾害事故处理计划方案制定,为崔家沟煤矿综放工作面顶板稳定性控制防治提供了依据。     

浅埋煤层工作面顶板溃水机理及防控体系研究

浅埋煤层开采期间,覆岩导水裂缝带极易沟通煤层顶板上部全部含水层,引发工作面溃水灾害的发生。因此,在分析顶板溃水产生机理及形成条件的基础上,根据工作面开采顺序对首采工作面、次采工作面提出了相应的配套涌水量预计方法,可为工作面排水系统能力设计及设防能力确定提供理论依据;同时,针对浅埋煤层顶板发生溃水灾害的特点,提出了针对性的灾害防控体系。     

特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析

为了揭示特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断与矿压显现的力学机制,基于材料力学与岩石力学等理论,建立了特厚煤层综放开采坚硬顶板初次破断力学分析模型,分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板中弯矩的分布情况,推导了坚硬顶板超前破断位置与初次破断距的解析公式,系统研究了煤层厚度、顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度等关键因素对顶板初次破断特征的影响规律。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板的初次破断距与煤层厚度呈负相关的关系,而与顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度呈正相关的关系。在此基础上,开展了山西韩家洼煤矿特厚煤层22203综放工作面矿压规律的现场监测,并将理论分析结果与现场监测数据进行对比分析,两者基本吻合。     

坚硬厚顶板矸石充填工作面矿压显现特征

结合郭二庄矿2911工作面坚硬火成岩顶板的地质条件,通过理论分析、相似模拟和现场实测等方法对矿压显现特征进行了研究。分析得出矸石充填开采时,顶板的运动破断形式主要分为直接顶垮落、直接顶弯曲下沉和坚硬顶板下层位破断3种。研究结果表明:坚硬厚顶板下矸石充填开采时,顶板的挠度远小于充填体的欠接顶量,顶板与充填体间不产生力的作用;统计分析得出实测支架工作阻力普遍小于额定工作阻力;坚硬顶板破断前离层发展呈现反复离层压实的特征,且每次离层都较前一次显著增大。     

祁东矿6163工作面松散承压含水层下安全回采研究

受松散承压含水层影响,祁东煤矿曾多次发生工作面压架突水事故,而具有类似含水层赋存特征的6163工作面在里段开采过程中实现了安全回采,通过现场实测和理论分析,从基岩厚度、覆岩关键层结构特征和顶板破断形态等方面与同煤层且发生过压架突水事故的6130工作面进行了对比研究,结果表明:6163工作面里段基岩厚度大,主关键层与煤层间距大是其未发生压架突水事故的主要原因;初采期工作面的调斜开采使顶板岩层能够产生区域性破断、来压,一定程度上降低了来压强度,也是实现安全开采的有利因素。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的后屈曲性态

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时关键层的变形破断特征,应用初始后屈曲理论探讨了开采过程中顶板关键层的后屈曲性态,得出了老顶初次来压时顶板的临界载荷和破断步距,确定了顶板破断后的极限下沉量和回转角,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例.研究发现,顶板上覆厚松散沙层对关键层的后屈曲性态有影响;顶板从破断至极限下沉其平衡路径不稳定.应用初始后屈曲理论可揭示浅埋煤层长壁开采顶板岩层的分叉点平衡构形及后屈曲平衡路径的稳定性,是确定非完善结构位移场的一种有效方法.     

大倾角条件下提高开采上限的研究与实践

针对综合机械化采煤提高开采上限工作面在大倾角地质条件下因顶板管理不利,造成回采过程中发生溃水、溃砂事故。通过分析地质和煤层赋存条件,选择综采、综放综合采煤方法,采取分段上网,设备状态控制,顶板破碎区超前管控等一系列工程措施的现场落实,能够有效的控制顶板下沉、开裂,避免顶板事故的发生。现场实践证明合理的开采方式及顶板控制方法能够有效控制顶板非均衡破坏和矿压显现异常现象,提高大倾角条件下提高开采上限工作面的回采效率。     

浅埋煤层开采固液耦合的数值模拟研究

在前期固液耦合物理模拟的基础上,应用岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统(F-RFPA2D),以大柳塔煤矿20601工作面50 m基岩厚度处为例,固液耦合模拟再现了采动后其上覆岩体破坏的动态发展过程;揭示了采场顶板破断后潜水向工作面溃流规律,松散层厚度和潜水水位对上覆岩层破断规律以及对开采参数的影响;模拟比较直观地得到了采动下岩层裂隙发展及贯通引起的突水过程。     

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题，采用物理模拟实验与理论分析方法，对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比，推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式，并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应，容易引发冲击地压等的动力灾害事故；走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用，使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型，推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10⁵ J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中，单次开采的平均能量比走向长壁开采较低，且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放，容易造成其下次破断能量释放的峰值效应，且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范...     

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。     

复合顶板条件下综采工作面覆岩破断及应力变化规律研究

针对山西晋能集团常顺煤矿9108工作面复合顶板稳定性控制的技术难题,通过采用理论分析、物理模拟及现场实测等研究方法,建立了工作面复合顶板覆岩破断分析的力学模型,理论分析了复合顶板条件下综采工作面顶板的破断规律以及矿压显现规律。理论分析结果表明:9108工作面复合顶板极限垮落步距为35.21m,复合顶板周期来压步距为14.37m。相似模拟结果表明:9108工作面复合顶板平均周期来压步距为18.4m,复合顶板初次垮落步距为31.5m;复合顶板的破断主要以拉伸破坏为主。数值模拟结果表明:9108工作面复合顶板主要变形破坏步距处于30m～40m。现场实测结果表明:9108工作面复合顶板的初次垮落步距为32m,周期来压步距为17m。现场实测的结果与理论分析、相似模拟、数值模拟的结果相吻合,验证了理论分析、相似模拟与数值模拟结果的合理性。研究结果揭示了9108工作面复合顶板条件下综采工作面覆岩破断规律,可为常顺煤矿9108工作面安全高效开采提供技术参考。     

预裂弱化对关键层板破坏特征影响的模拟研究

采用三维数值模拟软件FLAC3D,并结合祁东煤矿8222工作面具体开采条件,就预裂爆破对覆岩关键层板破坏特征的影响进行了模拟研究。结果表明,通过对关键层进行预裂弱化,改变了常规情况下顶板O—X型初次破断特征。顶板将先从开采空间中部弱化位置处产生裂缝,然后在两侧长边处开裂,最终在工作面两端形成一定的三角区,关键层的极限破断步距较常规情况下也明显减小。预裂弱化通过改变顶板的破坏特征,减小顶板的初次破断步距,进而避免厚硬顶板大面积破断引发压架等灾害。