沟深对浅埋煤层工作面矿压的影响规律研究

针对神东矿区活鸡兔井在沟谷地形下工作面动载矿压灾害问题,通过理论分析和模拟实验,就沟谷沟深对工作面动载矿压的影响规律进行了研究。结果表明：当工作面推进到沟谷地形时,沟深越深,覆岩主关键层(PKS)被侵蚀的可能性越大,由于沟谷上坡段被侵蚀的 PKS 块体不能够形成稳定的砌体梁结构产生失稳,从而使亚关键层(SKS)结构块体承受的载荷迅速增大,导致工作面发生发生动载矿压灾害事故;反之,若沟深较小,PKS 块体未被侵蚀,则一般不会发生矿压事故。理论分析和模拟结果与现场实测吻合良好。     

沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理

针对神东矿区活鸡兔井工作面过沟谷地形时发生的动载矿压问题,通过现场实测、理论分析与模拟实验,就沟谷地形对浅埋煤层开采动载矿压显现的影响机理进行了深入研究。结果表明：浅埋煤层开采工作面过沟谷地形上坡段时易发生端面切顶、冒顶和支架活柱急剧下缩的动载矿压。由于覆岩主关键层在沟谷段受侵蚀影响而缺失,过上坡段时主关键层破断块体缺少侧向水平挤压力作用,不易形成稳定的“砌体梁”结构而滑落失稳,使得作用在下部单一关键层结构上的载荷明显增大而产生滑落失稳,从而引起工作面的动载矿压。若沟谷地形中主关键层未缺失,则浅埋煤层工作面过沟谷地形上坡段时一般不易产生动载矿压。该研究结果指导了活鸡兔井21305,21306工作面过沟谷地形动载矿压灾害的防治实践。     

近距离煤层重复采动面过沟谷矿压显现规律研究

针对神东矿区活鸡兔井近距离煤层重复采动工作面过沟谷地形时易发生动载矿压的问题,采用物理模拟与现场实测方法,研究了沟谷地形下覆岩主关键层被侵蚀程度对浅埋煤层动载矿压的影响。结果表明:浅埋煤层工作面在过沟谷地形上坡段时,因覆岩主关键层受侵蚀影响而缺失,使主关键层缺少侧向水平挤压力作用而产生滑落失稳,从而导致下煤层工作面过沟谷地形上坡段时易发生动载矿压。据此确定了类似条件下工作面过沟谷地形上坡段时支架所需合理的工作阻力,保障了该矿后续工作面的安全回采。     

沟谷区域浅埋煤层工作面覆岩破断及矿压显现特征

针对串草圪旦煤矿4104工作面过沟谷上坡段时易发生动载矿压显现情况,研究了沟谷区域关键层缺失情况下工作面上坡开采时覆岩关键层的破断特征以及矿压显现特征。研究表明:沟谷关键层的缺失使得上坡段关键层呈非均布载荷作用下的悬臂梁方式存在,关键层岩体可能发生剪断破坏或拉断破坏,其失稳形式相应表现为滑落失稳或回转失稳,并受沟谷坡角的影响;在4104工作面条件下,当沟谷坡角小于57°时,工作面覆岩关键层表现为拉断破坏,其失稳形式为回转失稳,当沟谷坡角大于57°时,覆岩关键层表现为剪断破坏,其失稳形式为滑落失稳。现场实测表明,工作面过沟谷上坡段开采时动压现象明显,并提出了减缓矿压显现程度、提高顶板控制效果的措施。     

近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究

针对中国神华能源股份有限责任公司神东煤炭分公司大柳塔活鸡兔井21305工作面过上部倾向煤柱时的动载矿压问题,通过煤柱上方关键块体结构的稳定性分析以及模拟实验,对工作面出煤柱阶段动载矿压发生的机理和规律进行了研究。结果表明:出煤柱阶段煤柱上方两关键块体形成的三铰式结构是不稳定的,两关键块体会随下部岩层的下移而发生相对旋转运动,最终导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷过大而失稳,这是造成此阶段工作面动载矿压发生的根本原因;两关键块体的回转角通常情况下无法达到维持其结构稳定的极限条件,这决定了出煤柱阶段工作面动载矿压的普遍存在;当煤柱边界上方关键块体结构断裂线外错于煤柱边界时,下部岩层对其支撑力的力矩最小,因而下煤关键层承受的载荷也就最大,故而最易导致下煤层工作面动载矿压的发生。     

地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显现规律影响分析

采用实地测量、遥感分析、理论计算等方法,就神东矿区地表石灰沟对上湾煤矿8m超大采高工作面开采矿压显现影响进行了分析研究。结果表明,石灰沟对工作面整体影响范围约为950m,可划分为正常回采区、沟谷影响区、沟谷影响危险区等3个区域;工作面覆岩存在2个关键层,其中主关键层与石灰沟沟底垂直距离约为17.7m,主关键层受沟谷地貌的侵蚀影响程度不明显,主关键层保持完整且破断后容易形成稳定的"砌体梁"结构,预计工作面发生明显动载矿压灾害的危险性较小。鉴于超大采高工作面上覆岩层运移规律、矿压显现规律、顶板控制、巷道围岩控制均呈现新特点,提出了矿压监控与预测、主关键层强化、开采技术方案优化、工作面支护质量提升等系列超大采高工作面过沟谷地貌动载矿压防范措施。     

浅埋煤层沟谷下开采动载机理研究

为了分析南梁煤矿工作面过沟谷底部时发生动载问题的原因,通过相似模拟研究、理论计算分析,对工作面过沟谷矿压显现的机理进行了研究。研究表明:工作面过沟谷底部时易发生切顶、煤壁片帮、台阶下沉等动载现象。在实验和理论分析的基础上,提出了工作面在推进过程中形成关键层"非均布载荷梁"结构,建立了关键层非均布载荷梁结构力学模型,得到了上覆岩层运动过程中相邻关键块失稳形成"滑移回转载荷"的计算公式,揭示了非均布载荷梁的破断以及瞬间滑移回转载荷的形成是导致动载发生的机理,为预防工作面过沟谷底部时发生动载提供了理论依据。     

倾向煤柱边界超前失稳对工作面出煤柱动载矿压的影响

针对近距离煤层工作面出上覆倾向煤柱时的动载矿压问题,采用理论分析、数值模拟以及工程验证的方法,从煤柱边界超前工作面失稳的角度阐述了其对动载矿压灾害的抑制机理,并就煤柱埋深、煤层间有无关键层以及煤柱边界有无空巷等因素对煤柱边界超前失稳的影响规律进行了研究。结果表明：工作面临近推出上覆倾向煤柱时,煤柱边界的超前失稳会造成上部关键块体提前发生反向回转,从而能在工作面出煤柱时削弱关键块体结构回转运动对煤层间岩层作用的能量,最终减弱动载矿压灾害发生的几率和强度。上覆倾向煤柱埋深大、煤层间无关键层以及煤柱边界存在空巷均易导致煤柱边界发生超前失稳,从而可对动载矿压灾害的发生发挥明显的抑制作用。对于煤层埋深较浅或煤层间仅存在一层关键层等动载矿压灾害易发生的开采条件,可在处于下煤层工作面出煤柱一侧边界内开掘空巷,或对此区域实施人工预爆破,促使煤柱边界在工作面临近出煤柱时发生超前失稳,从而达到防治动载矿压灾害的目的。研究结果得到了神东矿区活鸡兔井和补连塔煤矿4个工作面出煤柱开采工程实例的验证。     

浅埋房采区下近距离煤层开采动载矿压机理

浅埋煤层工作面房采区下开采易发动载矿压甚至压架等灾害事故。以石圪台矿31201综采工作面典型房采煤柱下动载矿压的案例为基础,采用现场实测、理论分析、数值模拟和物理模拟手段对此类动载矿压发生的机理进行深入研究。研究结果表明：房采煤柱较集中煤柱更易失稳破坏;在下煤层采动和超前支承压力的影响下,房采煤柱突然大范围的失稳破坏会导致其上方关键层发生超前断裂,关键块体的逆向回转将过大的覆岩载荷传递至下方岩层结构,最终导致下位关键块体发生滑落失稳,这是造成工作面发生强烈动载矿压的根本原因。针对易发此类动载矿压的条件,从阻止或转移上覆岩层载荷的角度提出几点针对性的防治措施,其有效性和实用性得到了31201工作面后续安全开采的证实     

浅埋煤层开采过沟谷区域动载矿压机理及防治技术研究

浅埋煤层开采过沟谷区域时如存在关键层缺失的情况,容易引发覆岩结构失稳,并诱发动载矿压显现。以朱家峁煤矿1305-2工作面通过第一条沟谷期间发生的压架事故为研究背景,基于现场踏勘和理论推导,分析了关键层位置以及压架机理,并由此提出了动载矿压防治技术。研究表明：压架事故发生的主要原因为顶板覆岩主关键层局部缺失导致无侧向水平的约束作用力,“砌体梁”结构出现滑落失稳,并以动载形式诱发工作面矿压显现。通过力学推导得出,减小工作面周期来压步距可有效缓解动载矿压显现,并在工作面通过第二条沟谷期间采用深孔爆破和水力压裂联合的防治技术处理工作面顶板岩层,最终周期来压步距由18 m减小为12 m,且未发生压架事故,保证了工作面的安全生产。     

综采工作面过沟谷地貌的覆岩结构演化规律及协同控制

为解决中西部地区沟谷地貌条件下厚煤层综采强矿压灾害问题,采用理论分析和数值模拟方法,研究沟谷地貌条件下开采覆岩结构特征和时空演化规律,建立沟谷地貌条件下回采工作面支架承载力学模型,得到支架载荷并进行支架合理选型,提出了协同控制措施。研究结果表明:工作面进、出沟谷过程中,破断块体临空侧在上坡段缺少水平应力,无法形成稳定铰接结构,极易发生滑落失稳和整体下沉,失稳后全部载荷作用于工作面支架,是强矿压事故发生的根本原因。提出支架工作阻力和支架架型优选,以及对动载易发区域超前预警、加强临时支护的协同控制措施,现场实测发现ZY12000/28/64D型液压支架工作状态良好,能够较好地适应沟谷地貌条件下煤炭的安全生产要求。     

浅埋近距离煤层煤柱下开采异常矿压机理

针对补连塔煤矿22307工作面过边界煤柱阶段发生的强动压灾害问题,采用现场实测、理论分析等手段,研究了浅埋近距离煤层大采高工作面边界煤柱下开采异常矿压显现发生机理。结果表明：浅埋近距离厚煤层开采时,下煤层工作面推进至进煤柱阶段发生强动压灾害,支架活柱下缩量达到1 000 mm;下煤层工作面推进过程中,两层煤之间的关键层结构也不断的变化,重复采动阶段,两层煤之间存在一组亚关键层结构,进煤柱阶段,两层煤之间存在一组主关键层结构;进煤柱阶段,煤柱上方关键块的铰接结构发生反向回转运动,导致主关键层关键块上覆载荷增加,发生滑落失稳,引发强动压灾害,同时造成地表出现大的台阶下沉现象。     

基于微震监测的双系煤层开采覆岩运动与矿压显现关系

以大同矿区双系煤层开采为研究背景,基于高精度微地震监测技术,研究石炭系特厚煤层8104综放工作面开采过程中上部侏罗系煤层群复杂采空区影响下微震事件时空演化特征,得到双系煤层影响下覆岩运动与矿压显现的关系。结果表明:8104工作面接近和进入上部侏罗系煤层采空区对应区域,8104工作面覆岩运动加剧,侏罗系煤层的开采是工作面覆岩运动加剧的主要原因;侏罗系煤柱重叠区域微震事件密集分布,在工作面的开采扰动和重叠煤柱应力传递的共同作用下,微震总能量和能量大于10~5J的震动次数均处于较高数值,覆岩运动更加剧烈。临近采空区对8104工作面的强烈覆岩运动起到了关键作用,在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下,工作面超前微震事件集中,矿压显现剧烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用,是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。     

房式采空区集中煤柱诱发动载矿压机理及防治

针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面出上覆房式采空区集中煤柱回采动载矿压问题,利用现场实测和理论分析方法,通过分析超前支承压力作用下小煤柱保持稳定时的临界弹性核宽度、动载荷作用下工作面覆岩结构及支架载荷,对动载矿压的发生机理及防治措施进行了研究。结果表明：出集中煤柱期间,下煤层工作面覆岩的回转运动使上覆集中煤柱支撑宽度减小,若超前支承压力导致该部分集中煤柱及前方大面积小煤柱失稳,超前失稳煤柱覆岩的运动将使工作面覆岩受到动载荷作用,破坏工作面覆岩承载结构的稳定性,从而诱发动载矿压;提出了提前爆破集中煤柱的防治措施,并确定了爆破时工作面与集中煤柱间应满足的安全距离,在现场应用效果显著。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。     

沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究

为掌握沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律,以王家岭煤矿20105工作面地质条件及生产实践为基础,采用顶板动态监测系统,分别对不同坡体下工作面液压支架工作阻力特性进行观测,分析了沟谷垂深、坡体角度、冲沟切割系数对工作面矿压显现的影响。研究表明,沿工作面倾向不同区域的来压步距、持续时间及来压强度均不同,工作面中部的初次及周期来压强度均大于工作面两端的来压强度;相较于沟谷垂深及坡体角度,冲沟切割系数是影响工作面矿压显现的主要因素,冲沟切割系数大于0.4时,支架阻力增量超过8%,冲沟切割系数小于0.17时,支架阻力增量变化不明显。近浅埋煤层的基岩厚度较大,且存在双关键层结构,沟谷地形对其支架阻力的影响程度相对较低。     

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。     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。     

采场矿压与覆岩运动的机械模拟实验研究

以华丰煤矿特殊地质条件下厚煤层开采为研究对象,利用采场矿压机械模拟实验台,进行了采动过程中支承压力发展演化与覆岩运动规律的机械模拟实验。实验结果表明:支承压力随煤层推采发生明显的变化,塑性区压力逐渐上升,弹性区压力则单调下降;覆岩形成组合结构有规律的运动,离层呈现出动态变化的特性;最大下沉值随工作面开采不断变大且最大下沉值点逐渐向开采方向发展。