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...     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

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.     

高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律

针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件,运用相似模拟试验和数值模拟方法,分别研究了硬厚岩层下采场覆岩运动和采动应力演化规律。研究结果表明,工作面上覆岩浆岩时,覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断、基本顸周期破断、岩浆岩初次破断和岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表);硬厚岩浆岩破断前,随着工作面的不断推进,煤体支承压力不断增加;硬厚岩浆岩破断后,采场支承压力要小于破断前。     

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...     

沟壑地貌下综放开采覆岩破断特征研究

针对沟壑地貌下综放开采工作面矿压显现强烈、来压规律异常的现象,论文以某矿12309工作面经过沟壑地貌下的推进过程为工程背景,综合采用数值模拟和相似模拟的研究方法,分析了工作面推进过程中的覆岩运移和破断特征以及塑性区演化规律,揭示了沟壑地貌对综放开采矿压显现的影响机理。研究结果表明：主关键层的破断将引起基岩和黄土层之间的离层,使得裂隙贯通至地表形成裂缝,此时沟壑地貌的地表不均布载荷易于和采动应力相互影响,造成工作面覆岩和黄土层上坡段区域出现向采空区回转的趋势,导致综放工作面矿压显现异常剧烈;同时相似模拟结果量化了12309工作面基本顶初次破断步距为35 m,周期来压步距介于23~34 m。数值模拟分析了工作面覆岩塑性区演化规律,与相似模拟结果相互吻合。该研究结论可为相似条件下的工作面推进规划提供借鉴。     

巨厚火成岩下采动覆岩应力场-裂隙场耦合演化机制

针对杨柳煤矿主采10煤层诱导上覆巨厚火成岩运移破断引发剧烈地表沉陷、瓦斯喷井以及工作面压架等动力灾害的难题,基于巨厚火成岩破断特征,采用物理模拟、数值模拟与理论分析相结合的方法研究了巨厚火成岩下覆岩裂隙发育规律与采动应力分布规律,得到火成岩破断前后裂隙发育高度、支承压力峰值和应力集中区最大高度等指标随工作面推进的变化特征,从而揭示了巨厚火成岩下采动应力场-裂隙场耦合演化致灾机制,即煤层采动→应力重新分布→应力集中→裂隙发育→覆岩破断→应力转移→裂隙扩展→"弧形"离层→火成岩破断→动力灾害。从控制应力集中与裂隙发育两方面提出了"采空区充填技术—离层注浆充填技术—保护层开采技术"的防灾技术体系。     

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。     

浅埋薄基岩综采面覆岩移动规律物理模拟研究

为了研究浅埋薄基岩煤层工作面在采动影响下覆岩的垮落过程和移动规律,利用相似模拟试验和理论分析,对某矿42112工作面回采过程中的顶板垮落情况和来压规律等进行了分析.根据相似模拟试验得到的结果,该工作面直接顶初次垮落步距27.5 m,基本顶初次来压步距35 m,初次破断时出现了非对称三角拱,来压迅猛,矿压显现剧烈,此后工...     

岩溶区顶板沉降特点及覆岩裂隙分形维数变化研究

以贵州某矿为工程背景,通过物理试验、理论推导、数值模拟等研究手段,对其岩层运移演化规律进行研究。建立了基于灰岩顶参数的岩梁力学分析模型,推导了其应力分量表达式,运用MATLAB绘制得到应力云图,计算了灰岩顶的初次及周期来压破断步距,并总结了抗拉强度参数对灰岩顶初次及周期破断步距的影响规律。通过构建灰岩地层数值模型,对上覆岩层的垂直应力分布特征、顶板沉降位移特征进行了分析。通过分形维数表征采动覆岩裂隙场空间占位,给出了一种计盒维数程序设计及计算方法,在豪斯多夫空间中,揭示了覆岩裂隙扩展演化规律。分形迭代结果表明：覆岩裂隙分形维数随推进长度的变化可分为4个阶段,研究结论可为进一步明确这种关系提供研究借鉴。     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

邻空坚硬顶板断裂影响下冲击矿压防治研究

针对华亭煤矿工作面回采期间,由于采深加大、邻空侧顶板垮断不充分致使工作面矿压危险性急剧上升的状况,分析确定影响工作面矿压危险性的主要因素为覆岩关键层的运动及周期性破断,据此判定工作面覆岩关键层为上覆基本顶并分析其破断力源,制定相应的解危卸压措施,并在管理制度上进一步优化完善,与邻近工作面相同区段相比,矿压显现破坏程度显著下降,为工作面安全回采提供了保障。     

坚硬顶板综放面覆岩垮落及导水裂隙研究

以北辛窑煤矿2#煤首采面开采为背景,采用物理相似模拟的方法,运用全站仪与钻孔电视研究了坚硬顶板综放面覆岩垮落特征及导水裂隙带发育高度。结果表明:8103首采面来压步距大,煤层回采后覆岩表面导水裂隙带高度为115～135 m;关键层发生破断时覆岩表面位移变化明显,煤层回采后距开切眼240 m处地表沉降达到5 m以上;通过对煤层回采后1#钻孔内部裂隙分析,认为中下部和下部垮落覆岩是储水和导水的主要空间,对1#和2#钻孔不同回采距离下内部裂隙发育高度分析可得,导水裂隙带高度最终稳定在125.2～128.2 m,这对工作面两带高度确定和防治水措施的制定,具有重要的指导意义。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

“三软”煤层大采高工作面采场覆岩运移规律相似模拟研究

为研究皖北煤电卧龙湖煤矿8煤开采顶板覆岩运移规律,采用相似材料模拟实验方法,对8102回采工作面展开研究。结果表明:8煤直接顶初次垮落步距为30 m,基本顶初次断裂步距为50 m,平均周期断裂步距为13.43 m,垮落带高度为11 m,裂隙带高度为101 m,8煤上方亚关键层对覆岩破断下沉影响显著,7煤随8煤开采垮落,6煤裂隙发育。     

坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征模拟研究

针对工作面坚硬顶板破断及其动态演化易导致强矿压显现等问题,以门克庆煤矿为背景,通过相似模拟试验,深入了解和分析坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征。结果表明:低位坚硬覆岩初次来压步距为60 m,周期来压步距为20～30 m,覆岩结构由短砌体梁结构逐渐演化为采空区两侧形成的F型悬臂梁结构;中高位坚硬覆岩初次来压步距为130 m,周期来压步距为50～80 m,覆岩结构由长砌体梁结构逐渐演化为与低位坚硬覆岩共同在采空区两侧形成F型悬臂梁结构;坚硬覆岩纵向位移变化区域逐渐增大,采空区中部位移增量大于两端,顶板最大下沉量为5.69 m,位于采空区中部;中高位坚硬覆岩"大周期来压"与低位坚硬覆岩"小周期来压"协同作用,导致工作面出现强矿压显现,严重影响工作面安全回采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论指导意义。     

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。     

浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理

为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因,采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构模型,论证了"主控层-软弱层"组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适用性与合理性,通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据,揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。利用相似材料模拟实验开展了基载比分别为0.625,0.750,0.875,1.125四种工况的相似模拟实验,研究不同"基载比"条件下覆岩结构破坏规律,实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面:初次来压前4类工况中直接顶均发生初次破断冒落,当基载比为0.875～1.150时,直接顶初垮步距及冒落厚度增幅减小;当基载比为0.750～1.125时,初次来压步距呈现增大趋势,直接顶冒落厚度呈现减小趋势;当基载比由0.625增加至1.125过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势,周期来压相对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面:当基载比&...     

新疆伊犁矿区采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验研究

以新疆伊犁四矿21103综放工作面采矿地质条件为工程背景,针对伊犁矿区弱胶结地层条件开展了采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验。结果表明:伊犁矿区弱胶结地层中覆岩无明显的关键层结构,覆岩采动裂隙随工作面推进同步向上发育;21103综放工作面初次来压步距约40 m,周期来压步距约20 m;采动覆岩垮落带高度为31.7 m,裂隙带高度为29.8 m,弯曲下沉带高度为53.5 m。试验过程中氡气浓度最大值约5 300 Bq/m3,表明弱胶结地层内部原生裂隙较为发育,可以给氡气运移提供较好的优势通道,采动覆岩"裂隙发育-基本顶破断-裂隙闭合"过程与氡气浓度"增大-峰值-减少"过程二者之间具有明显的对应关系。     

覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析

煤层开采打破了上覆岩层原有的平衡,必然引起岩层的移动、破断,导致应力场和裂隙场的改变,工作面出现矿压显现。上覆岩层的岩性和组合结构对工作面开采覆岩损害特征分布影响显著,一般岩性越坚硬,上覆岩层应力集中程度越高,采动裂隙越发育,矿压显现也越明显;坚硬岩层尤其是关键层对覆岩的破断运动起控制作用,覆岩破断发展到一定层位后软弱岩层往往是抑制覆岩破断进一步向上发展的关键。当工作面上覆岩层同时存在远近场关键层时,近场关键层的周期性破断引起裂隙带范围内岩层的运动和工作面周期来压;而远场关键层的周期性破断导致地表裂缝或台阶下沉,工作面压力急剧上升,有时甚至导致煤矿动压灾害,尤其是远近场关键层同步破断时动力现象更明显。通过地面钻孔使远场关键层提前破断是防止此类动力灾害的关键。