8.8m超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析

针对浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的问题,基于支架压力现场监测,对上湾煤矿8.8 m超大采高工作面矿压显现规律进行了研究。结果表明:8.8 m超大采高工作面基本顶初次来压步距为45 m左右,周期来压步距平均为13.5 m,动载系数平均为1.6;超大采高工作面周期来压具有来压步距短、来压持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈等特点。根据工作面上覆顶板结构分析认为,工作面开采强度大、顶板活动剧烈,关键层结构单一、赋存层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破断,是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因。     

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.     

昌汉沟煤矿浅埋深煤层开采地表移动变形规律研究

针对浅埋煤层的矿压显现规律不同于普通埋深煤层的矿压显现规律的情况,运用地表变形观测与理论分析,研究了昌汉沟煤矿浅埋深煤层开采地表移动变形规律,结果表明工作面覆岩不存在"三带",基本上为垮落带和裂隙带所构成的"两带",浅埋煤层的顶板基岩沿全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表.     

8.8m超大采高综采工作面覆岩活动规律研究

为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律,以上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面为研究对象。利用理论计算,相似模拟以及数值模拟等方法,通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段,将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合,对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。推演得出浅埋深8.8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型,揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律,分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系,为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。     

8.8 m支架超大采高工作面矿压规律及覆岩破断结构研究

针对8.8 m支架超大采高工作面矿压显现强烈而顶板活动规律不明的问题,以神东上湾煤矿12401工作面为研究对象,采用矿压大数据分析手段研究了8.8 m支架超大采高工作面矿压显现规律,采用微震监测、顶板深基点位移监测、数值模拟、理论分析等综合手段研究了工作面覆岩运移破断结构特征,并通过分析二者的时空关系,研究了覆岩破断对...     

土层覆盖下浅埋煤层工作面支架选型研究

基于支架工作阻力与顶板最终下沉量的“P-△L”双曲线关系,采用数值模拟计算方法,同时考虑相似模拟试验结果,研究土层覆盖下浅埋煤层工作面的矿压显现规律．结果表明：土层覆盖下浅埋煤层工作面初次来压时只有关键层破断垮落,支架栽荷并不大,随着工作面推进顶板垮落向上发展至地表,从而在工作面与地表形成贯通裂隙时,支架阻力才最大．最终确定了陕北南梁煤矿土层覆盖下浅埋煤层20115工作面的支架工作阻力为6500kN,为南梁矿综合机械化开采的工作面支架选型提供技术依据．     

厚松散层浅埋煤层工作面矿压显现规律研究

 厚松散层浅埋煤层工作面开采过程中,基岩层将发生全部破断,上覆岩层中无法形成完整“三带”,其矿压显现特征与常规埋深煤层工作面存在明显区别。通过对纳一矿316-2上04浅埋深综采工作面支架工作阻力的实测研究,掌握了浅埋深工作面液压支架适应性及矿压显现特征,分析了浅埋煤层工作面顶板来压存在大小周期的原因,研究结果为实现浅埋深综采工作面安全高效回采提供有益参考。     

土层覆盖下浅埋煤层工作面支架选型研究

基于支架工作阻力与顸板最终下沉量的“P-△L”双曲线关系,采用数值模拟计算方法,同时考虑相似模拟试验结果,研究土层覆盖下浅埋煤层工作面的矿压显现规律．结果表明：土层覆盖下浅埋煤层工作面初次来压时只有关键层破断垮落,支架载荷并不大,随着工作面推进顶板垮落向上发展至地表,从而在工作面与地表形成贯通裂隙时,支架阻力才最大．最终确定了陕北南梁煤矿土层覆盖下浅埋煤层20115工作面的支架工作阻力为6500kN,为南梁矿综合机械化开采的工作面支架选型提供技术依据．     

峰丛地貌浅埋煤层工作面覆岩移动规律研究

针对峰丛地貌浅埋煤层开采过程中出现的上覆岩层台阶下沉,矿压显现异常强烈,地表产生裂隙与坍塌等现象,结合发耳矿1306工作面地质条件,采用FLAC3D数值模拟实验方法,建立了峰丛地貌浅埋煤层工作面"支架-围岩"相互作用力学模型,对峰丛地貌浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力的确定进行了研究。分析了工作面推进过程中上覆岩层垂直应力和下沉量变化规律,得到了工作面矿压显现剧烈程度呈现"背谷段向谷段谷底段"的特点,指导了峰丛地貌浅埋煤层工作面支架选型,为此类问题的研究提供了理论借鉴。     

浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟

利用相似模拟实验方法,研究了浅埋深长壁工作面覆岩破断特征,掌握了浅埋煤层长壁开采覆岩破断过程中的关键特征点。并结合现场矿压实测,掌握了工作面来压与上覆岩层裂隙发展之间的规律。研究分析表明：浅埋深长壁工作面覆岩破断的关键特征点分别是直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断、裂隙带初次导通地表、裂隙带周期性导通地表。裂隙带导通地表（即基岩层周期性全部破断）与基本顶破断的周期性发生是浅埋深长壁开采条件下工作面顶板来压存在大小周期的主要原因。浅埋深长壁工作面开采过程中,基本顶的断裂极易引发裂隙带导通地表。因此,在工作面来压期间,要适当加快工作面推进速度,避免发生压架事故。     

浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究

为了探索浅埋煤层群开采减缓煤柱集中压力并实现地表均匀沉降和地表裂缝耦合控制,通过物理模拟和数值计算揭示了煤层群开采中不同区段煤柱错距的间隔岩层破断规律、煤柱集中应力分布规律、覆岩和地表裂缝发育规律及地表沉降规律,掌握了不同区段煤柱错距与煤柱应力集中及覆岩裂隙演化的关系。研究得出,根据煤层间岩层的破断规律,确定合理的上下煤层区段煤柱错距,可避免上下煤层区段煤柱间的集中应力叠加和煤柱支承影响区的岩层非均匀沉降,实现煤层群开采的应力和裂缝耦合控制。建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型,得出了避开煤柱集中应力和实现地表均匀沉降的耦合判据,揭示了减缓煤柱群集中应力和实现地表均匀沉降的机理。     

地表沉陷机理的流变特性分析

长期煤矿开采导致了严重的地表沉陷。根据覆岩的流变特性,确定流变模型,分析地表沉陷机理。     

厚松散层大采高开采地表移动变形规律研究

针对神东矿区工程地质条件,构建了上湾煤矿地表移动观测站,选取了该矿12401工作面近1年地表移动观测数据,根据解析法计算工作面岩层移动角值参数,并运用FLAC3D对地表下沉及水平移动进行数值模拟。结果表明:地表下沉量与覆岩岩性成正比,下沉速度与覆岩岩性成反比,在厚松散层工程地质条件下,基岩离层被压密,岩体结构被破坏,造成地表下沉量和下沉速度增大,地表移动变形对矿区建筑物造成影响和损坏,衍生为地质灾害的诱导因子,当开采综合边界角为60°时,可减少地表移动范围,降低矿区地质灾害发生。     

Groundwater system for the periods of pre- and post-longwall mining over thin overburden

The groundwater loss is one of the primary issues for environmental destruction. Underground longwall mining methods can cause rapid subsidence of the overburden strata. Especially in shallow coal seam mining. Since the subsidence through the overburden to ground surface, the groundwater may be affected and drawdown into the lower levels above the longwall panels. This paper analysed the potential impact of longwall mining on groundwater over thin overburden. Four water wells were drilled down to the proposed deformation zone above two longwall panels to record the different water levels’ variations throughout the mining period. A numerical groundwater flow model (GGU-SS-FLOW3D) was performed to predict the water levels in the periods of pre- and post-mining conditions. To set-up model, local mining conditions and regional geology characteristics were ascertained in this study. The measurement data from the four water wells were adopted to calibrate the flow3D model. The field measurement and GGU-SS-FLOW3D model can help to better understand the variation of the groundwater system related to the ground subsidence from longwall mining over thin overburden.     

浅埋煤层长壁开采超前支承压力变化特征

利用数值模拟、相似模拟及现场实测的综合研究手段,以浅埋煤层开采顶板运动规律为基础,针对浅埋深长壁工作面超前支承压力分布规律及变化特征进行了研究。研究结果表明,浅埋深工作面超前支承压力分布规律与常规埋深煤层的类似。但由于浅埋煤层顶板运动的特殊性,其工作面超前支承压力的变化特征与常规埋深煤层之间有明显区别。浅埋深工作面超前支承压力峰值变化受基本顶破断与断裂带导通地表的周期性发生影响存在大小周期性变化。同一采高条件下,浅埋深工作面超前支承压力峰值在基岩层全部破断前的趋势是增大,但在基岩层全部破断后,峰值变化则基本遵循大小周期的变化规律。同一煤层,不同采高条件下,基岩层未全部破断的浅埋深工作面的超前支承压力峰值要大于基岩层破断后的浅埋深工作面的超前支承压力峰值。     

近浅埋煤层大采高综采工作面覆岩活动规律

综合采用现场观测、理论分析和数值模拟的方法,着重研究昌汉沟煤矿15105近浅埋煤层大采高综采工作面覆岩活动规律,研究表明:15105大采高综采工作面上覆岩层存在2个关键层,2关键层断裂的不同步性及其相互作用使工作面周期来压呈现非均匀性大小周期的特点,并且大周期时动载现象明显、煤壁片帮冒顶等现象较严重,地表有微弱下沉现象。     

煤炭开采与岩层运动

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成"大变形"结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个"黑箱",目前仅仅在控制原理上得到解释,达到"灰箱"程度。因此,岩层控制在很多场合只能是"宏观"控制。"砌体梁"结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。     

过沟开采速度对浅埋煤层覆岩移动变形的影响研究

为了研究过沟开采速度对浅埋煤层覆岩移动变形的影响,以陕北府谷庙哈孤矿区安山井田为研究对象,采用Rhino3D-FLAC3D耦合技术建立过沟模型,分别以4m/d、6m/d和8m/d的推进速度进行数值模拟,探讨了不同开采速度对覆岩变形的影响。研究表明：当以4m/d的速度对煤层进行开挖时,导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别为42.2m、1.67m和0.2m;以8m/d的速度对煤层进行开挖时,导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别为32m、1.01m和0.14m,相对于以4m/d的速度开采,其导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别减少了24%、40%和31%。随着开采速度增加,覆岩移动变形量有所减小,因此为了减少开采过程中覆岩的移动变形量,在煤矿生产过程中,可根据实际情况,适当增加煤层推进速度。     

浅埋煤层保水开采岩层控制研究

我国西部浅埋煤层保水开采的核心理念是保护生态水位,保水开采岩层控制的理论基础是隔水层的稳定性。基于陕北浅埋煤层煤水赋存条件,通过物理模拟和地裂缝实测分析,揭示了浅埋煤层隔水岩组的"上行裂隙"和"下行裂隙"发育规律,发现了"上行裂隙"和"下行裂隙"的导通性决定着隔水岩组的隔水性。通过理论分析,给出了"上行裂隙带"发育高度和"下行裂隙带"发育深度的计算公式,建立了以隔水岩组厚度与采高之比(隔采比)为指标的隔水岩组隔水性判据。据此,提出了保水开采分类方法,基于神府矿区条件给出了分类指标范围。