深井巨厚覆岩邻空采动强矿震孕育发生机理

矿震是深部矿井开采必然出现的动力现象,针对鄂尔多斯矿区白垩系巨厚覆岩邻空采动强矿震频发的现状,采用地面离层探测、地表岩移监测等技术,结合Reissner厚板理论与相对矩张量反演方法,分析了工作面邻空采动下白垩系巨厚覆岩破断运移特征,研究了工作面实体煤阶段向邻空回采阶段过渡区域频发矿震震源破裂模式的演化规律,揭示了白垩系巨厚覆岩深部煤层邻空采动强矿震孕育发生机理。结果表明：综放工作面实体煤回采阶段,白垩系巨厚覆岩无明显裂隙产生,地表沉降稳定,沉降量最大为0.23 m;邻空回采阶段,裂隙发育高度最大至煤层上方444.8 m处白垩系巨厚覆岩,强矿震震源处地表总是最先达到最大沉降,强矿震发生前地表最大沉降量快速增加,较1个月前监测最大沉降量增大超60%,表明白垩系巨厚覆岩破断运动为强矿震动力源,强矿震扰动作用下,巨厚覆岩失稳引起地表再次快速沉降。白垩系巨厚覆岩初次破断步距为307.7 m,与工作面实际推进度基本吻合,佐证了强矿震由白垩系巨厚覆岩初次破断诱发;巨厚覆岩破断厚度增大,其初次破断步距增幅逐渐变缓;工作面面长增大,巨厚覆岩初次破断步距线性增长,巨厚覆岩初次破断形式由横“O-X”形转变为...     

公乌素矿1604工作面覆岩关键层的判定及分析

综放工作面上覆岩层中的关键层位置及破断距的确定对控制工作面的矿山压力有重要的作用。以公乌素1604超长综放工作面的上覆岩层为研究对象,采用钱鸣高院士的关键层理论,对工作面上覆岩层的载荷量与破断距进行计算研究。研究结果表明,1604工作面上覆岩层中的C2、C7、C11～13、C16～18为单一或组合硬岩层,其中距煤层顶板20.75 m厚为12.65 m、破断距为31.2 m的复合岩层C11～13为亚关键层,距煤层顶板40.59 m厚为13.2 m、破断距为36.7 m以细粒砂岩为主的复合岩层C16～18为主关键层。关键层及破断距的确定将对1604综放工作面顶板的管理有着一定的指导意义。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。     

多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征

针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题,采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明：(1)采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳定的砌体梁结构,此时低位关键层能够承载自身及其上方至中位关键层下方岩层重量,煤体仅需承载低位关键层下方软岩重量及附加载荷,煤岩体承载力较好,超前支承应力峰值随采高增加逐渐增大。(2)采高大于3 m时中位、低位关键层均发生破断,中位关键层破断后形成砌体梁结构,此时中位关键层能够承载自身及其上方至高位关键层下方软岩重量;低位关键层破断后其断裂的岩块未能与前方未完全破断的岩层铰接,低位关键层为悬臂梁结构,此时煤体需承载煤层上方至中位关键层下方岩层重量及附加载荷,超前段煤岩体发生大量剪切破坏导致煤岩体承载力降低,超前支承应力峰值随采高增加逐渐减小。(3)关键层运动影响支承应力分布特征,关键层完全破断后低位关键层下沉位移量减小,超前支承应力峰值大小及其距煤壁的距离随关键层破断均减小。(4)采高大于3 m时,低位关键层破断后主要影响超前支承应力峰值点距煤壁距离,峰...     

基于分布式光纤的覆岩变形特征监测试验研究

采动覆岩变形、破坏方式及其内部应力演化规律是采矿工程领域研究的重要问题,通过科学、有效的监测手段对上覆岩层在工作面开采过程中的变形及来压规律进行实时监测至关重要。将分布式光纤水平、垂直埋设在模型内部,监测覆岩变形特征与应力应变状态。结果表明,1-2煤回采过程中,水平传感光纤的"马鞍形"频移曲线反映了覆岩破断的动态变化过程;布里渊频移变化度准确实现了工作面的来压判别;分布式光纤的时空演化规律揭示了整个开采过程中相似模型的应变分布特征。     

深部工作面上覆巨厚火成岩条件下采动规律研究

安居煤矿2311工作面上覆约厚140 m的巨厚火成岩,严重影响工作面的安全开采,为研究上覆巨厚火成岩在工作面回采期间的运移规律,针对安居煤矿上覆巨厚火成岩的开采条件,以2311工作面为研究对象,从现场实际出发,采用理论分析和数值模拟的方法对2311工作面外段上覆巨厚火成岩采动规律进行研究。通过关键层的判别公式,确定了2311工作面上方的关键层位置,并计算得出巨厚火成岩对2311工作面外段回采期间的覆岩运动起主控作用。通过建立“两端固支梁”的力学模型,计算得出工作面上覆巨厚火成岩的极限破断距以及对应2311工作面采空区宽度,结果表明2311工作面外段回采期间上覆巨厚火成岩不会破断。最后,采用FLAC3D数值模拟方法,模拟2311工作面外段回采期间的应力分布状态,得出2311工作面外段回采期间的超前支承应力在可控范围内,从而验证了理论分析的正确性。     

高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究

矿震是由矿山开采引起的非天然地震活动，鄂尔多斯矿区侏罗纪煤层上方常见白垩系巨厚层状砂岩组，巨厚砂岩组破断、滑移容易诱发巨厚覆岩型矿震，研究揭示高位巨厚覆岩的内部活动演化规律与动力响应特征是巨厚覆岩型矿震灾害防控的基础。笔者基于符拉索夫厚板理论，结合地面探测孔、地表沉降以及微震监测技术，研究了鄂尔多斯某矿综放开采巨厚覆岩结构演化规律及覆岩内部活动特征，揭示了高位覆岩运动诱发矿震机制。结果表明，综放实体煤回采阶段，采空区面积较小，低位顶板垮落较为迅速，顶板破断角64°～72°，高位巨厚覆岩结构无明显裂隙产生，地表下沉量较小；邻空回采阶段，顶板破断高度向巨厚覆岩层扩展，巨厚覆岩层产生裂隙，巨厚覆岩下顶板破裂角有所增加，并且地表沉降量快速增加呈台阶式下沉。白垩系巨厚砂岩层厚较大、强度较高，推导得出邻空回采阶段工作面推进约324.3 m时，巨厚覆岩结构具备发生初次破断的条件，开始出现强矿震事件；并且其周期破断步距为83.7 m。巨厚覆岩结构破断触发矿震机制为：随采空区面积增加，顶板破裂高度逐渐扩展至高位巨厚砂岩层，该巨厚砂岩层发生竖“O-X”型初次破断、滑移以及周期性破断易诱发强矿震事件。研究结...     

浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构特性及演化机制分析

通过分析浅埋近水平煤层开采覆岩结构及破坏的特点,在压力拱和关键层理论的基础上建立了浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构模型;认为该压力拱结构在工作面长度和推进方向上具有左右对称特征,压力拱发育至关键层后若关键层破断则基于破断位置重新起拱,若不破断则拱顶位于关键层附近,该压力拱结构模型能较好描述浅埋近水平煤层开采覆岩破坏形态。基于上述模型,分析了压力拱结构层和覆岩破坏区演化的突发性和阶段性特点,推导出了结构层压力拱轴线方程和覆岩破坏范围计算判据,分析了压力拱的极限变形量,给出关键层破断对压力拱发育影响的分析计算方法;通过对大柳塔矿52505工作面采场覆岩数值及理论分析,关键层破断后没有形成完整压力拱结构,导致地表出现塌陷。     

上覆煤层开采后下伏煤层卸压机理分析

以开滦唐山矿Y485工作面受上覆5#煤层采空影响为背景,基于关键层理论,采用数值模拟和现场实测研究了上覆煤层开采后下伏煤层的卸压机理。结果表明:覆岩中往往存在多层关键层,会对工作面支承压力产生影响。卸压开采后上覆关键层发生破断,下伏煤层工作面回采时仅在层间关键层的影响下支承压力的影响范围和峰值显著降低。唐山矿上覆5#煤层工作面回采后,仅在层间关键层的影响下,下伏9#煤层Y485工作面超前支承压力影响范围由73 m减小至38 m,超前支承压力峰值与工作面煤壁的距离由29 m减小至20.5 m。当两煤层间存在厚硬关键层时,开采上覆煤层对下伏煤层进行卸压时,下煤层工作面支承压力峰值的最大值是无关键层时的2.34倍,下煤层回采时仍产生了显著的应力集中。     

大采高采场顶板运移破断特征的数值模拟研究

基于大采高采场采动引起的覆岩运移破断问题,主要对大采高工作面开采过程中顶板的运移变形与破断失稳规律进行数值模拟研究,结果表明:亚关键层下部岩层属于冒落带,亚关键层上部到主关键层范围属于裂隙发育带,主关键层上部岩层属于弯曲变形带;当关键层从稳定转变为破断失稳时,其变形量陡增;工作面开采高度和关键层数量对覆岩运移变形以及稳定性的影响效果显著。     

浅埋近距离煤层工作面末采阶段等压原理与应用

为研究浅埋近距离煤层工作面末采阶段等压原理,以高家梁煤矿20314工作面末采阶段为工程背景,首先利用关键层位置判别法确定2-2上煤层间距5 m处的细粒砂岩为亚关键层,间距32 m处的粗粒砂岩为主关键层;通过覆岩岩层离层量Sn判断了上覆岩层破断层位,然后,分析工作面末采阶段不采取停采等压和采取等压技术2种情况下工作面贯通后上覆岩运动规律,并通过理论计算确定工作面距回撤通道6.6 m处为最佳停采等压位置,并在20314工作面末采阶段进行现场试验,回撤工作安全顺利完成。     

浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

针对浅埋煤层矿压显现强烈,易于发生切顶压架事故的问题,以神东矿区浅埋煤层为例,统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据,结果认为,与普通埋深及深部煤层相比,浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征,破断位置位于工作面后上方,各层位测点呈整体同时破断,破断范围快速波及地表,当工作面推进11 m后,距顶板26 m处测点最大下沉量227 mm,当工作面推进296 m后,地表最大下沉量5.89 m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系,认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触,而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及运动规律,认为正常情况下,呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构,当支护质量不足或者遇到地质异常区时,结构易发生整体滑落失稳,导致工作面压架事故。基于以上认识,提出了浅埋超大采高工作面覆岩"切落体"结构模型,分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型,认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断,形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式,并以上湾8.8 m工作面为例进行了验算,结果表明,基于"切落体"结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。"切落体"结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据,丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。     

浅埋深特厚煤层综放开采地表异常塌陷原因分析

采用现场观测和理论分析相结合的方法,对柴沟煤矿1503综放工作面回采过程中顶板发生抽冒、地表塌陷,塌陷坑深度大于煤层采厚的现象进行了研究。研究表明:工作面上覆岩层主关键层是复合关键层,复合关键层的破断距离较大,达105m;下部亚关键层破断形成组合悬臂梁结构,组合悬臂梁结构以及主关键层的破断距导致了下方采空区有巨大空间;主关键层破断后,上覆破碎岩石向四周滑落、运动充填了采空区,导致了地表异常塌陷坑的出现。现场矿压观测的结果以及塌陷坑出现的位置与理论计算数据基本吻合。     

覆岩垮落形态的光纤监测立体模型试验研究

采用BOTDA分布式光纤传感技术监测上覆岩层变形的内部应力、应变、位移等参量,对指导生产具有重要的工程应用价值。试验获得BOTDA分布式光纤的测试数据,分析了Brillouin频移值随工作面开挖与上覆岩层破断变形的关系。     

采场上覆关键层运移的模拟实验检测

在传统矿山压力理论的基础上,用光纤Bragg光栅传感器研究采场上覆关键层运移过程中的内部应变。以某煤矿30101综采工作面为对象,实验室模拟工作面上覆岩层变形的过程,在3 m平面模型上使用4个光纤Bragg光栅传感器,制作了3 000 mm×1 340 mm×200 mm的相似材料模型,几何相似比1∶100,同时在关键层的位置布置2条全站仪测线。实验表明,光纤光栅传感器监测出了关键层的初次垮落、周期性垮落过程,关键层初次破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈尖峰状,周期性破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈高原状,有一个持续的时间。30101工作面顶板初次垮落及周期来压步距分别在48.5~51.7 m与10.4~20.8 m,实验与现场矿压观测结果基本一致。实验实现了上覆关键层所受载荷的实时监测,载荷变化符合指数余弦函数规律。     

采场覆岩变形分布式光纤监测岩体-光纤耦合性分析

岩体与光纤之间的耦合性是决定分布式光纤感测岩体变形准确性的关键因素。通过岩层变形光纤响应特性的力学分析,结合运动学方法,提出了光纤-岩体的耦合性判据,并建立了岩层变形光纤监测模型。通过水平埋设在物理相似模型内部的传感光纤,监测不同开挖状态下关键层的结构性变形,并借助数字图像相关技术( DIC )对关键层挠度分布进行实时跟踪监测,综合分析覆岩变形特征及演化规律,并将2者监测结果进行对比分析。结果表明：当岩层变形较小时,岩体-光纤耦合性系数在0.9～1.0内,光纤应变计算的岩层挠度与DIC测量的实际岩层挠度基本一致,最大相对误差为8.9%;当岩层变形较大时,岩体-光纤耦合性系数呈断层式直线下降,直至岩层发生破断,裂缝处岩体-光纤发生脱离,光纤-岩体接触度与光纤-岩层耦合系数k值均为0;通过光纤监测数据反演,获得采动覆岩的变形范围及特征,从而反映出光纤沿线岩层移动变形的位置及程度。研究成果为分布式光纤传感技术应用于模型及现场覆岩变形监测提供了参考。     

房式采空区下近距离煤层开采支架工作阻力研究

为研究房式采空区下近距离煤层开采支架合理支护阻力,基于石圪台煤矿实际地质条件,构建了房式采空区下关键层初次破断与周期性破断力学模型,得到了初次来压和周期来压步距表达式,并构建了对应的"支架-围岩"相互作用力学模型,获得了支架工作阻力的计算式。研究结果表明:房式采空区下煤层开采关键层破断步距主要特点有2个:①关键层初次破断及周期性破断步距与上覆留设煤柱应力集中程度密切相关;②破断步距大小受关键层前次破断位置影响较大。理论计算31201综采工作面关键层初次来压步距为40.1 m,前3次周期来压步距分别为20.4、18.9、20.8 m。与均布载荷条件下相比,房式采空区下支架支护阻力的主要影响因素有2个,即关键层受上覆岩层集中力的位置和关键层初次破断结构形态。理论计算获得该工作面初次来压和前3次周期来压合理工作阻力分别为17 372、11 722、15 252、15 206 kN。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果为房式采空区下近距离煤层开采液压支架选型提供了指导。     

基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法.工程实测和理论研究结果表明：覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度,只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时,该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙,且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙.关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按（7～10）M（M为煤层采厚）估算.当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时,导水裂隙将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度;当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以外时,导水裂隙将发育至临界高度（7～10）M上方最近的关键层底部,导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度.上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别,其可靠性得到了工程实测结果的验证。     

煤系-红层覆岩结构采动效应及导水断裂带数值模拟

以安徽信湖煤矿8-2采区为工程背景,对煤系-红层覆岩天然工程地质特征进行了分析,重点研究了采动效应下覆岩离层发育位置和导水断裂带的演化规律。研究表明:覆岩存在巨厚红层与下伏地层不整合接触,形成煤系-红层双层结构,具备了覆岩离层的地质条件;利用关键层理论对离层位置进行初步判别,主要受控于第5、6、14、18、19层,且下第三系红层厚度较大为主关键层;利用FLAC~(3D)数值模拟试验,得知在工作面达到充分采动后,导水断裂带的最大高度为71 m,垮落带最大高度为14 m,裂高采厚比为17.75;信湖煤矿82煤层开采引发的覆岩结构采动变化显示,导水断裂带最大高度未达到关键含水层,但是要关注红层冲击倾向性问题,防止冲击作用下高位关键层破断,造成采场冲击及水害事故。     

厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征

为研究厚硬岩层下孤岛工作面开采对强矿震或冲击矿压的影响,理论分析鲍店矿103上05孤岛工作面厚硬覆岩空间结构及其破断运动对矿震活动的影响,并对孤岛面开采的冲击矿压危险性进行了动态评价。研究表明:103上05工作面在竖向剖面上为一非对称"T"型孤岛覆岩结构,其长臂侧易出现关键层大尺度破断运动,诱发强矿震与冲击矿压的危险性较高;在水平层面上亚关键层破断形成"O"型断裂结构,巨厚主关键层则以大尺度"OX"模式分层破断。各级关键层的逐级破断与运动是矿震活动的主要动力源。根据微震实测,矿震活动多集中在"T"型结构长臂侧,尤其是能量大于105J的强矿震主要出现在103上06采空区与103上05工作面巨厚主关键层中,并表现出很高的S,P波能量比。通过波速梯度异常区的动态反演,对"T"型孤岛面覆岩运动的动压危险性进行评价,效果良好。同时,分别进行煤层静载预卸压与低位顶板走向步距式超前预裂,降低了强矿震活动对煤体的冲击扰动效应。