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...     

深部临空巨厚坚硬顶板断裂矿震规律及成因研究

为研究特厚煤层临空巨厚坚硬顶板断裂的矿震规律,以250105工作面实际工程地质及开采特征为研究背景,采用微震监测技术对矿震事件进行了定位和统计分析,得到了矿震事件多集中在工作面采空区侧及工作面前方0~100 m。同时,采用数值模拟,分析了不同开挖阶段工作面围岩的应力分布状态,得到了工作面前方20~90 m及靠近回风巷侧顶板岩层0~40 m均为应力高度集中区域。研究结果表明,250105工作面回采期间矿震事件主要集中分布在工作面前方及工作面临空侧,厚硬顶板的破断对矿震事件的诱发起主要控制作用。     

不规则孤岛工作面开采矿震活动规律研究

以徐庄煤矿7197不规则孤岛工作面为研究对象,采用数值模拟方法,系统分析了7197工作面回采期间采场应力的演化规律,并结合不同回采阶段下4次方以上能级矿震的活动规律,分析得到以下结论:工作面回采前高应力集中主要发生三角煤柱边角区域,应力集中程度约为原岩应力的2~3倍;数值模拟分析得到材料道侧煤体应力集中程度要高于溜子道,但实际受断层构造和工作面孤岛结构的影响,溜子道的冲击危险性可能更高;通过大能量矿震活动规律分析可知,回采期间断层构造的影响是冲击危险防治的重点;大能量矿震显现区域与模拟高应力区呈现很好的对应性,回采期间应针对高应力区及时进行卸压解危。     

区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明：工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10-6,上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理...     

浅埋近距离煤层工作面过三角形斜交煤柱开采应力演化规律研究

针对浅埋近距离煤层工作面过上覆三角形遗留煤柱开采,存在顶板局部来压强烈和区段煤柱应力集中导致的巷道大变形等问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,研究过三角形煤柱两次采动叠加应力的大小和范围的演化规律,揭示两次采动区段煤柱压力变化规律和相邻巷道破坏机理,明确巷道加强支护的范围和重点支护范围与时机。研究结果表明：上覆三角形斜交煤柱对其下方工作面煤层形成应力集中,最大应力位置位于斜交区段煤柱之下;当下煤层31206工作面开采后,31109区段煤柱应力上升为最大应力,应力峰值区位于与上覆斜交区段煤柱叠合区附近,峰值区宽度为240 m,对应该区域巷道变形破坏较明显。31109工作面开采过程中,在工作面煤壁与上覆斜交煤柱叠加区和工作面区段煤柱与上覆斜交煤柱叠加区存在应力峰值区,形成应力双峰;随着工作面推进,双峰应力不断升高,且煤壁应力峰值区逐步向区段煤柱方向移动,当工作面推进到区段煤柱叠加区时,双峰合并为更高的单峰应力;在工作面出斜交煤柱时区段煤柱应力达到最大,出煤柱叠加区后应力迅速减小;总体上,31109工作面开采后区段煤柱应力峰值区最大应力...     

临近断层孤岛面开采动力显现机理与震动波CT动态预警

为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层煤柱的受力状态与动力显现的发生机理,理论分析了某矿7192工作面的覆岩结构及其运移规律,探讨了由断层错动导致的工作面动力显现及强矿震的发生机理,利用震动波CT技术对工作面冲击危险性进行动态预警。结果表明:1)工作面倾向覆岩结构将由以工作面煤体为承载主体的对称短臂"T"型结构转化为以断层煤柱为承载主体的非对称"T"型结构,走向上因工作面面长较短使中高位关键层出现较长悬顶,其上方为非对称"T"覆岩结构;2)工作面断层附近历次强矿震均受断层活动静止期影响,即矿震时隔越长,后续矿震能量越大;3)中高位关键层的突然破断与运动是工作面矿震活动的主要动力源,导致的断层煤柱承载能力失效使断层突然错动,产生的冲击动载与煤体高静载叠加诱发动力显现;4)震动波CT动态预警技术揭示了工作面区域的应力演化过程,且动力显现区域与强矿震位置也与反演结果吻合,证明了预警结果的可靠性。     

深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究

为研究大埋深下不规则孤岛工作面开采对冲击矿压的影响,基于覆岩空间结构理论,分析了某矿3112孤岛工作面覆岩结构及其大尺度破断运动对工作面煤岩体的影响,并根据掘进期间微震监测对孤岛面的回采进行冲击危险的动态评价。通过理论分析与数值模拟,从煤岩体静载应力和动态破坏2方面分析孤岛煤柱诱冲机制。基于能量守恒定律,研究了主关键层破断瞬间覆岩稳定性和能量释放、转化过程,主关键层的破断运动对工作面矿压显现影响剧烈。数值计算分析了不同开采尺度对孤岛面冲击的影响,随着开采尺度的增大,煤体的静载应力峰值逐渐升高并接近临界应力,冲击危险程度升高。最后基于动静载组合诱发孤岛煤柱冲击机制,探讨了孤岛面冲击矿压防治措施。现场实践表明,钻孔卸压和顶板预裂爆破有效地控制了高能量震动事件的产生。     

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱（30 m和55 m）受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。     

双煤柱工作面开采覆岩运动及地表沉降规律研究

针对葫芦素煤矿回采期间因缩面而产生的双煤柱结构问题,以葫芦素煤矿21102和21201工作面为工程背景,对双煤柱工作面煤层开采覆岩运动及地表沉降规律进行研究.结果表明:2-1煤层上覆第2岩层为主关键层并形成砌体梁结构,对采场矿压显现及覆岩运动起到最主要的控制作用;地表监测数据表明21102工作面已完全进入开采沉陷稳定期,回采21201工作面时,地表下沉速度及时、稳定,覆岩随采随动,危险性较小.相似模拟试验结果表明,随着模型开挖,横向裂隙逐渐向上覆岩层扩展,离层间距亦逐步扩大,并产生失稳垮落,21102工作面左侧方覆岩破断角为58°,右侧方覆岩破断角为62°,21201工作面左侧方覆岩破断角为56°,右侧方覆岩破断角为59°.工作面开挖后,覆岩依次垮落或下沉移动,与地表监测结果基本一致.研究成果可为深埋双煤柱工作面的安全回采提供借鉴.     

孤岛工作面开采动压危险区的矿震层析成像技术研究

论文针对鲍店矿103上02工作面厚硬岩层下孤岛开采存在的较高动压危险性,分析了该孤岛工作面厚硬覆岩结构特征,在应力与P波波速的试验关系模型基础上,建立了基于矿震层析成像探测的孤岛面动压危险性评价技术,构建了矿震层析成像探测动压危险的技术指标与判别准则,最后开展了现场应用。研究表明,103上02工作面为一非对称"T"型孤岛覆岩结构,长臂侧在工作面开采后会出现大尺度覆岩破断运动,动压危险性较高。通过103上02工作面开采过程中的矿震层析成像探测实践,该技术能够对孤岛面开采覆岩运动特征、动压危险性与危险区域做出有效、动态评价,强矿震活动的预警准确率较高。     

工作面三掘进基本顶破断结构特征的数值模拟研究

采用数值模拟方法,对工作面三掘进巷道基本顶在工作面不同回采阶段的结构破断特征研究构表明：工作面回采过程中,基本顶岩层对上覆软弱岩层的运动起到了控制作用,上覆软岩的运动跟基本顶一致;三掘进巷道开挖后,先在巷道的顶板出现破坏区,随后底板也出现局部破坏;上区段工作面回采后,中阃回采巷道的帮部出现破坏区域,且靠近采空区域的破坏程度更大,基本顶在煤柱上方破断形成块体结构,煤柱靠近采空区域出现大范围的破坏区;下区段工作面回采后,中间巷道围岩破坏区域加大,基本顶仍然在煤柱上方破断形成块体结构,两煤柱靠近采空区域都有大范围的破坏区。     

高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度与控制技术

针对高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度留设问题,以羊场湾煤矿为工程背景,建立了综放工作面侧向基本顶破断结构模型,推导出低应力区范围表达式及其影响因素;采用FLAC3D数值模拟软件分析巷道掘进和本工作面回采期间不同煤柱宽度下巷道围岩应力与位移演化特征。研究表明:(1)高强度开采综放工作面因采场尺寸大、推进速度快、断裂步距大,导致内应力场范围亦大于常规工作面。(2)高强度开采综放工作面区段煤柱宽度的确定,应充分考虑多次剧烈采动、基本顶破断、巷道大断面等因素,结合试验工作面地质生产条件确定内应力场范围6.31~7.58 m,合理煤柱宽度为9~14 m。(3)本工作面回采期间,覆岩结构被再次激活,致使围岩变形破坏加剧,煤柱宽度10~14 m时,煤柱具有一定自稳能力并承担较少的顶板载荷,综合考虑各因素确定合理煤柱宽度为10 m。(4)受高强度开采及基本顶破断等因素影响,窄煤柱沿空巷道可能诱发大范围破碎、煤柱帮大变形及顶板不对称下沉等变形破坏,要实现此类巷道围岩稳定性控制应对煤柱帮和顶板重点加固,据此,提出了非对称围岩控制技术,并进行现场应用,巷道控制效果明显。     

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...     

大倾角厚煤层综采面回采对邻近煤柱和掘进面的影响研究

为了研究大倾角煤层综采面回采对区段煤柱和下区段工作面回风巷掘进面的影响,采用数值模拟和现场监测的方法研究了区段煤柱的应力分布、回采面对掘进面的扰动情况。研究结果表明,大倾角煤层工作面应力集中区域与缓倾斜煤层明显不同,煤柱受到的工作面与煤柱侧叠加应力并非均匀分布,靠近上区段侧的应力集中明显高于下区段侧;当前南山煤矿B8煤层大倾角工作面20 m宽区段煤柱能够保持稳定,通过弹性核理论计算其合理区段煤柱宽度为18.4 m;回采工作面与相邻掘进工作面相距218 m时开始相互扰动,两面之间的最大扰动影响发生在回采面越过掘进面46 m时。     

采掘扰动对高应力厚煤层护巷煤柱的稳定性分析

针对沿空掘巷及本段工作面采掘扰动对高应力厚煤层护巷煤柱的稳定性影响问题，以陕西金源招贤煤矿1305工作面为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场实践的方法，分析了采掘过程中煤柱内应力演化及基本顶的破断规律，给出了基本顶初次及二次破断后的力学模型，分析了采掘过程中工作面前40 m范围内护巷煤柱的应力和弹塑性区分布规律。结果表明：工作面采掘致使基本顶破断形成的三角块结构是造成煤柱失稳的重要因素；风巷掘进期间，应力集中区与峰值应力主要分布在采空区侧煤柱内，巷道侧煤柱基本稳定；1305工作面回采期间，工作面前方20 m范围内煤柱应力叠加现象明显且塑性区宽度增加幅度较大，在30 m和40 m处煤柱应力分布规律与掘巷期间相似且塑性区宽度增加较小。综上表明，工作面采动对前方20 m煤柱的稳定性影响严重。现场实践证明合理的支护参数设计能有效控制巷道围岩的稳定性。     

浅埋极薄煤层无煤柱开采覆岩运移与地表损伤特征研究

为了探究浅埋极薄煤层切顶卸压无煤柱开采与常规留煤柱开采覆岩运移与地表损伤区别,以子长矿区浅埋极薄煤层为背景,基于关键层理论,得到了硬岩破断距及覆岩的垮落高度临界值的计算公式,结合3DEC数值模拟及现场试验,对比分析了无煤柱开采与留煤柱开采条件下浅埋极薄煤层覆岩运移破断及地表损伤特征,确定了极薄煤层覆岩两带高度。结果表明：当工作面回采达到60 m时,两带发育高度基本稳定,当大于60 m时,工作面后方覆岩裂隙由开裂逐渐闭合,裂隙区随工作面回采向前方移动,两带高度稳定在24.6～27.7 m;相较于常规留煤柱开采,切顶留巷无煤柱开采方式下覆岩呈连续移动变形,可有效修复煤层开采工作面两侧非连续移动变形导致的覆岩裂隙及地表损伤裂缝,消除了常规留煤柱开采方式下相邻工作面间区段煤柱两侧覆岩裂隙,现场观测较好地验证了该结果。     

薄煤层群开采切顶巷防冲技术相似模拟

基于相似模拟试验对工作面回采工程中应力变化和顶底板运动情况进行的分析,得出工作面开采可能导致其上超过50 m范围内产生矿震现象,工作面前方10 m范围内应力集中急剧增加;由于切顶巷的弱化作用,使采空区悬顶长度减小,有效降低了前方煤体应力;随着切顶巷间距减小,顶板破断步距也相应减小,但如果间距过小又会导致切顶巷之间应力集中,经综合分析,得出切顶巷理想间距为15～30 m。     

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。     

深部不规则孤岛工作面开采顺序及冲击地压防治技术

为了解决某矿深部不规则孤岛工作面因冲击地压影响开采的问题,结合某矿T_1391不规则孤岛工作面的实际情况,分析了孤岛工作面回采过程开采顺序引起的覆岩空间结构变化、应力分布、能量积聚,确定对T_1391采用大小面整体间歇式开采顺序,以便有序释放能量,实现冲击能量的可控性;通过数值模拟确定了小面超前大面的开采顺序,降低了应力集中和能量积聚,减小了两面之间煤枉的冲击地压。对具有冲击危险的超前煤柱采取动态爆破技术进行卸压处理,减小了煤柱开采期间的冲击危险,使得工作面安全推采。     

近距离下煤层岩层破断监测及煤柱确定研究

针对木瓜矿近距离下煤层109工作面巷道支护、区段煤柱的合理宽度确定的技术难题,基于微震监测理论,采用现场监测的方法,对工作面回风巷上覆岩层破断的时空位置、能量和微震事件分布形态特征等随工作面推进的变化进行监测,确定109工作面侧向矿山压力分布规律、上覆岩层的破断规律及破坏程度,为确定区段煤柱的合理宽度提供现场科学数据,实现近距离煤炭资源的安全高效回采,该成果对近距离下煤层安全开采研究具有现场指导意义.