浅埋煤层覆岩关键层结构分类

以神东矿区浅埋煤层开采为工程背景,对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行了研究.结果表明,浅埋煤层覆岩关键层结构类型可分为单一关键层和多层关键层结构;单一关键层结构又分为厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结构、上煤层已采单一关键层结构3种类型.单一关键层结构是导致浅埋煤层特殊采动损害现象的地质根源,浅埋煤层单一关键层结构采动破断运动不仅对工作面矿压产生影响,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉陷.关键层破断块体结构承担的载荷层厚度大而不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条件,从而导致关键层破断块体滑落失稳,这是导致神东矿区浅埋煤层单一关键层结构工作面易出现台阶下沉和压架出水等采动损害问题的力学机理.确定了神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法.     

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。     

软岩下浅埋煤层大采高综采面矿压显现规律研究

通过对内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司色连一号矿(以下简称"色连矿")综采面现场实测与理论分析,就其工作面矿压显现特征、覆岩关键层结构形态和运动规律及其对矿压显现的影响等问题进行了深入研究。覆岩中细、中粒砂岩层分别为亚关键层I、Ⅱ,亚关键层I破断运动形成"悬臂梁"结构,其周期性失稳运动产生工作面小来压,亚关键层Ⅱ破断运动形成"砌体梁"结构,其失稳运动形成工作面周期来压。"悬臂梁"结构的"稳定—失稳"运动促使下,在直接顶中产生拉断区和压缩变形区,"两区"贯通时最易发生严重端面漏冒。     

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。     

准东巨厚煤层分层开采覆岩移动规律相似模拟试验

针对新疆准东大井矿区二号井B1煤层赋存地质特征,运用关键层理论对其覆岩结构进行判断分析,采用试验研究的方法建立相似模拟试验模型,研究巨厚煤层分层开采过程中覆岩破断、沉降规律。试验结果表明:巨厚煤层分层开采覆岩破坏高度达到221.24m,其中跨落带98.3m,裂隙带138.2m;基本顶及各亚关键层破断失稳后急剧下沉,随工作面的推进不断被压实、岩层间离层(横向裂隙)逐渐闭合,形成具有一定承载能力的"铰接结构",当第三分层回采完毕,主关键层下部与下位岩层的离层空间达到最大。     

浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究

为研究浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律,以上湾煤矿为研究背景,基于相似模拟实验,数字图像处理、分形理论和数值模拟,分析了8.8 m超大采高工作面采动覆岩裂隙演化及能量耗散规律.研究表明:伪顶垮落到亚关键层阶段、亚关键层破断到主关键层阶段和主关键层破断到完全垮落阶段,关键层破断前后覆岩裂隙分形维数呈上升-稳定...     

综放开采覆岩大结构作用下的冲击地压形成机制

覆岩结构影响着煤矿的矿压显现,甚至会引发冲击地压,因此,有必要对覆岩结构形成与演化规律进行深入研究。基于关键层理论提出了综放工作面"板-壳"覆岩大结构模型,分析了大结构作用下围岩应力演化特征。推导出覆岩大结构失稳能量释放表达式,得到了冲击地压发生的临界能量。采用微震监测方法,研究了矿震的空间分布和能量变化规律,研究得到:基本顶、亚关键层和主关键层组成的"板-壳"覆岩结构逐步演化,结构掩护下的矿震总能量依次程阶梯式上升,结构失稳矿震的总能量跳跃式增加;综放工作面主关键层控制的覆岩大结构失稳易引起的冲击地压。矿压监测表明:围岩应力下降突变由于板-壳结构失稳,上升突变由于结构下部岩层的周期破断引起的;覆岩大结构失稳的动压以及顶煤和直接顶产生的静压共同作用引起支架压力显著上升。     

分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V_(11)出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V_(12)出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V_(13)最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V_(11)和V_(12)的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。     

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。     

特厚煤层开采主亚关键层活动特征及其对覆岩移动的控制规律研究

主亚关键层的活动特征及其对覆岩移动的控制规律是研究特厚煤层开采顶板控制的主要依据。本文依据老三沟井田地质条件和赋存状况,通过物理相似模拟试验的方法,分析研究准格尔中部矿区老三沟井田煤层开采中主亚关键层活动特征及其对覆岩移动的控制作用。研究表明,基本顶(亚关键层)初次来压步距在45m左右,周期来压步距在15～20m之间;当工作面向前推进约130m,主关键层弯曲下沉量增大,且在两端发育纵向裂纹,而采空区中部覆岩压实,裂隙逐步闭合;由于关键层位结构的存在,使得开采过程中覆岩的大范围剧烈活动降低了对工作面的影响。     

浅埋煤层长壁工作面矿压规律及关键块失稳分析

 为研究浅埋煤层长壁工作面的矿压规律和顶板结构稳定性,以榆阳煤矿1307长壁工作面为工程背景,设计了矿山压力观测方案并进行了现场观测。总结分析了浅埋煤层长壁开采时矿压显现规律和浅埋煤层上覆岩层破坏规律,得出初次来压步距为78m,二次来压是在工作面推进至93米,工作面周期来压步距范围在6.4～8.1m;通过对关键块的失稳分析,得出最大开采高度应小于2.31m,关键块不发生滑落失稳的系数要求大于等于1,而实际计算的系数仅为0.4,在实际开采过程中工作面中后部采空区顶板每隔一段时间会发生突然垮落,造成倒架、折梁断柱等现象,为同类浅埋煤层的开采提供一些借鉴和参考。     

露头煤开采覆岩运动变异规律微地震监测研究

覆岩运动规律对导水裂隙带发育高度具有决定作用,基于对鲁西煤矿露头区域工作面覆岩运动岩石破裂事件的井下微地震监测定位的研究,结果表明,露头煤层开采与深部煤层开采具有不同的覆岩运动规律,覆岩导水裂隙带高度降低30%左右,导水裂隙带分布形态不再具有马鞍型对称的特点.最后根据露头区域煤层开采覆岩运动变异规律,提出了其在露头防水煤岩柱设计中的方法.     

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。     

浅埋薄基岩厚煤层覆岩移动演化规律数值模拟研究

 本文应用RFPA2D岩石破断过程分析系统对神府煤田柠条塔煤矿浅埋薄基岩厚煤层N1201首采工作面开采过程中覆岩移动演化规律进行数值模拟分析。模拟研究了煤层采动后其上覆岩层破断发展过程,揭示了工作面推进过程中采场岩层的破断机理和来压特点以及煤层顶板支承压力的变化规律,并与井下现场实测来压步距进行对比分析,为今后开采神府矿区相似工作面的顶板管理及矿压控制提供了重要的参考价值。     

近距离大倾角综放工作面矿压规律及成因探析

通过对近距离大倾角综放工作面矿压实测数据的分析,获得工作面矿压显现的规律:工作面中部来压步距较小,来压强度较低,并进一步探析了内在的形成原因。由近距离大倾角工作面开采相互影响得知工作面中部和两端呈现两种不同的覆岩结构模型,中部主要承受静载荷的作用,两端承受动载荷的作用。     

急斜煤层覆岩关键层对防水煤柱尺寸的影响

为了对水体下急斜煤层的安全回采提供依据,基于龙湖煤矿南二采区急斜煤层的水文工程地质和煤岩层赋存条件,采用离散元UDEC2D数值计算,分析了覆岩关键层对急斜煤层开采导水裂隙分布和防水煤柱稳定性的影响,结果表明:当上覆岩层无关键层时,急斜煤层开采导水裂隙呈“耳型”分布,而当上覆岩层存在关键层时,导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主,且随着煤层采厚的增加呈抛物线型增大趋势,硕板初次破断后导水裂隙向关键层及其上方岩层发育;急斜煤层覆岩关键层的存在,将明显增大防水煤柱的抽冒范围,水体更易沿防水煤柱塑性破坏区渗流进入工作面采空区.据此,现场设计了分带仰斜充填开采方法,并采取了加固防水煤柱的措施,有效确保了水体下急斜煤层的安全回采.     

工作面采高对O形圈分布规律的影响研究

为合理布置瓦斯高位抽放巷而研究O形圈分布规律,以阳泉三矿K82O5工作面为工程背景,采用离散元数值模拟方法研究了工作面采高对O形圈变化形态的影响。模拟结果表明：在一定的覆岩关键层结构条件下,O形圈的宽度随煤层采高增加而增大;O形圈的高度受煤层采高的影响很小,采高在一定范围内变化时O形圈高度均止于覆岩主关键层下;采高增加时砌体梁结构中第1个回转岩块的回转角度增大,从而使砌体梁弯曲段长度增长,O形圈宽度增大。基于该研究结果,提出了不同煤层采高条件下走向高抽巷布置优化方案。     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

厚松散层薄基岩综采面覆岩破坏高度发育规律

为确保高承压松散含水体下缩小安全煤岩柱开采,合理回采防水煤柱内所留的煤层,在淮南煤田潘集矿区深厚松散层薄基岩条件下的综采工作面,采用地面地质钻孔、井下声波检层CT技术探测等多种现场实测手段,结合离散单元数值模拟,对深厚松散层薄基岩综采工作面覆岩破坏带高度发育的时空分布规律进行研究。研究结果表明：覆岩破坏带随工作面推进动态变化,随着综采工作面向前推进,导水裂缝带高度35.20～45.10 m,垮落带高度7.28～16.24 m;其覆岩破坏由下向上、由后向前逐步发展。