深部工作面上覆巨厚火成岩条件下采动规律研究

安居煤矿2311工作面上覆约厚140 m的巨厚火成岩,严重影响工作面的安全开采,为研究上覆巨厚火成岩在工作面回采期间的运移规律,针对安居煤矿上覆巨厚火成岩的开采条件,以2311工作面为研究对象,从现场实际出发,采用理论分析和数值模拟的方法对2311工作面外段上覆巨厚火成岩采动规律进行研究。通过关键层的判别公式,确定了2311工作面上方的关键层位置,并计算得出巨厚火成岩对2311工作面外段回采期间的覆岩运动起主控作用。通过建立“两端固支梁”的力学模型,计算得出工作面上覆巨厚火成岩的极限破断距以及对应2311工作面采空区宽度,结果表明2311工作面外段回采期间上覆巨厚火成岩不会破断。最后,采用FLAC3D数值模拟方法,模拟2311工作面外段回采期间的应力分布状态,得出2311工作面外段回采期间的超前支承应力在可控范围内,从而验证了理论分析的正确性。     

公乌素矿1604工作面覆岩关键层的判定及分析

综放工作面上覆岩层中的关键层位置及破断距的确定对控制工作面的矿山压力有重要的作用。以公乌素1604超长综放工作面的上覆岩层为研究对象,采用钱鸣高院士的关键层理论,对工作面上覆岩层的载荷量与破断距进行计算研究。研究结果表明,1604工作面上覆岩层中的C2、C7、C11～13、C16～18为单一或组合硬岩层,其中距煤层顶板20.75 m厚为12.65 m、破断距为31.2 m的复合岩层C11～13为亚关键层,距煤层顶板40.59 m厚为13.2 m、破断距为36.7 m以细粒砂岩为主的复合岩层C16～18为主关键层。关键层及破断距的确定将对1604综放工作面顶板的管理有着一定的指导意义。     

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。     

错层位巷道布置条件下端部顶煤的破坏特点分析

 摘要：通过对错层位巷道布置和传统放顶煤开采条件下上覆岩层运移规律的分析,认为在新技术条件下由于三角煤柱对顶板无支撑作用,在出现了接续工作面以后上覆岩层的破断垮落是连续的,导致发挥作用的关键层位置提高;结合格里菲斯强度理论分析认为,关键层位置的提高将对顶煤冒放性起积极作用,通过相似模拟实验和计算机测点扫描数据分析,发现在出现接续工作面之后关键层的位置由22m处上升至35m处。随着接续工作面的不断增加,关键层破段跨距不断增加,导致关键层不断破断,从而发挥作用的关键层位置不断上升,因而端面顶煤将承担更多覆岩的压力;认为理论分析基本符合实际情况,最终得出新技术条件下工作面端部支承压力随着接续工作面的增多而相对增大,从而有利于顶煤冒落的结论。     

房式采空区下近距离煤层开采支架工作阻力研究

为研究房式采空区下近距离煤层开采支架合理支护阻力,基于石圪台煤矿实际地质条件,构建了房式采空区下关键层初次破断与周期性破断力学模型,得到了初次来压和周期来压步距表达式,并构建了对应的"支架-围岩"相互作用力学模型,获得了支架工作阻力的计算式。研究结果表明:房式采空区下煤层开采关键层破断步距主要特点有2个:①关键层初次破断及周期性破断步距与上覆留设煤柱应力集中程度密切相关;②破断步距大小受关键层前次破断位置影响较大。理论计算31201综采工作面关键层初次来压步距为40.1 m,前3次周期来压步距分别为20.4、18.9、20.8 m。与均布载荷条件下相比,房式采空区下支架支护阻力的主要影响因素有2个,即关键层受上覆岩层集中力的位置和关键层初次破断结构形态。理论计算获得该工作面初次来压和前3次周期来压合理工作阻力分别为17 372、11 722、15 252、15 206 kN。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果为房式采空区下近距离煤层开采液压支架选型提供了指导。     

回采巷道强矿压显现发生机理及防治措施

针对内蒙古巴彦高勒煤矿回采巷道强矿压显现问题,采用现场实测及理论分析方法,通过分析采空区上位关键层破断特征及回采巷道围岩受力,对巷道强矿压显现机理及其防治措施进行了研究。结果表明:临近工作面回采结束后,本工作面的回采促进了上位关键层破断,若上位关键层悬顶长度较大,岩层断裂时将释放较大的能量易导致下位关键层受力增大,因而回采巷道围岩受力增大;不同巷道与上位关键层断裂岩块相对位置不同,因而围岩受力增幅不同,仅回风巷道发生强矿压显现;提出了相应的强矿压显现防治措施,在现场应用效果显著。     

双层厚硬火成岩下采动诱发矿震规律

通过对某矿104采区上覆双层厚硬火成岩进行微震监测,分析了双层厚硬火成岩变形破断的微震活动规律,结果表明:(1)火成岩下微震活动以低能量震动为主,火成岩破断、关键层运动等造成的大能量震动信号仅占2.7%;(2)震动能量、频次与工作面推进速度成正相关性,上下两层火成岩的破断为复合破断;(3)火成岩破断信号相对于老顶周期破断信号衰减较快,老顶周期破断和火成岩破断的主频率均为0~50 Hz,但火成岩破断信号的振幅明显较大,为老顶周期破断信号的2~4倍,并且火成岩破断信号的优势频谱范围较大。上述分析可为类似条件下矿山火成岩破断监测与预警提供参考。     

小纪汗煤矿11213大采高工作面矿压规律研究

为解决小纪汗煤矿11213大采高综采工作面来压剧烈,部分支架压死及支架掩护梁开裂等问题,通过分析工作面开采地质条件和现场矿压观测结果,认为关键层的垮落失稳结构特征是矿压显现剧烈的主要原因。根据关键层理论应用数值模拟研究得到11213工作面上覆岩层存在复合关键层结构,上位及下位关键层的周期性破断导致工作面来压,特别是上位关键层的破断导致工作面来压剧烈,因此提高液压支架的初撑力和稳定性能够很好的防止煤壁片帮,控制直接顶和基本顶的相对运动,从而有效地保证工作面安全有序生产。     

大采高综放工作面顶板破断特征及液压支架阻力确定

以神东矿区某矿大采高综放42105工作面为背景,采用现场实测、理论分析和相似模拟等方法对工作面矿压和顶板破断特征进行分析,并得出更合理的液压支架工作阻力。结果表明,随着采高的增大,覆岩最下位关键层易进入垮落带,不能形成"砌体梁"结构,呈现"悬臂梁"的周期破断特征。提出了重复采动下大采高综放面下位关键层以"悬臂梁"形式破断时支架工作阻力的确定方法,并依此确定了42105工作面支架的合理工作阻力为19 800 k N。     

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。     

双系煤层开采覆岩运移及采空区煤自燃危险区域研究北大核心

针对大同矿区永定庄矿8106综采工作面采空区大量漏风的工程问题,采用数值模拟方法研究了双系煤层重叠采动岩层的运动破断形式和裂隙动态演化规律,分析了双系煤层多层采空区连通机制以及采空区煤自燃危险区域分布规律。结果表明:侏罗系煤层群采空区表现为顶板垮落、底板底鼓及煤柱附近底板剪断式破坏;石炭系3-5#煤层回采依次造成基本顶、下部关键层和上部关键层破断和垮落,上部关键层破断下沉后双系采空区发生连通并导致漏风,下部关键层破断周期为60 m;在上、下关键层之间形成的裂隙区横截面上,主要漏风通道分为动态裂隙和边缘裂隙;有外部漏风时采空区煤自燃危险区域主要分布在距工作面100~175 m之间,无外部漏风时,煤自燃危险区域相对面积减少且总体位置朝工作面方向前移约30 m。     

浅埋近距离煤层工作面末采阶段等压原理与应用

为研究浅埋近距离煤层工作面末采阶段等压原理,以高家梁煤矿20314工作面末采阶段为工程背景,首先利用关键层位置判别法确定2-2上煤层间距5 m处的细粒砂岩为亚关键层,间距32 m处的粗粒砂岩为主关键层;通过覆岩岩层离层量Sn判断了上覆岩层破断层位,然后,分析工作面末采阶段不采取停采等压和采取等压技术2种情况下工作面贯通后上覆岩运动规律,并通过理论计算确定工作面距回撤通道6.6 m处为最佳停采等压位置,并在20314工作面末采阶段进行现场试验,回撤工作安全顺利完成。     

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...     

巨厚火成岩下矿震分布特征分析

文章采用力学模型定量分析了引起火成岩破断的采空区宽度;并采用FLAC5.0数值模拟软件分析了Ⅱ102采区工作面回采后垂直应力的分布情况.根据数值模拟结果得出:Ⅱ1022、Ⅱ1024两个工作面回采后火成岩已经成为承载主体但尚未破断;Ⅱ1026工作面回采完毕时,火成岩已经失稳,高应力状态下的火成岩在外力扰动下随时可能发生破断.通过分析矿震分布特征发现:火成岩内部及其上方岩层矿震分布极少,说明Ⅱ1024工作面回采后,火成岩没有破断且是稳定的;火成岩下部的岩层活动相对剧烈,说明火成岩成为承载主体后,火成岩与下部岩层出现离层;巨厚火成岩成为Ⅱ102采区主关键层,控制了火成岩上方的岩层运动,因此矿震分布主要在火成岩下部层位.通过分析矿震的分布特征,可以为监测火成岩的稳定状态提供理论依据.     

浅埋近距离多煤层采空区下厚关键层破断特征及支架工作阻力确定

针对浅埋近距离多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象,以神东补连塔煤矿上煤层采空区下大采高工作面为背景,采用现场实测与理论分析等方法对多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。结果表明:多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;根据关键层判别方法、钻孔岩芯和工作面矿压显现综合判断,垮落位置位于该岩层中部,上位厚关键层顶板形成"砌体梁"结构,下位厚关键层顶板形成"悬臂梁"结构;"砌体梁"结构对工作面矿压影响减弱,"悬臂梁"结构成为支架作用力的主要力源;正常回采时影响支架稳定的最危险状态是悬臂梁与砌体梁组合同时破断,对工作面顶板管理带来一定的困难;厚关键层在特殊情况下会产生整层破断形成"台阶岩梁"结构,应提前采取应对措施。     

采场上覆整体移动带坚硬岩层破断规律研究

为了防治采场上覆坚硬岩层突然破断给矿井造成的离层水（瓦斯）突涌等严重次生灾害,对某煤矿工作面连续大面积开采上覆整体移动带内坚硬岩层的破断规律进行了研究。以该煤矿首采区覆岩空间赋存、岩体结构、力学性质及地应力等地质工程条件为基础,采用薄板理论计算、数值模拟等方法,对采区首采面及后续工作面开采上覆整体移动带坚硬火成岩岩床初次破断及周期破断距进行了理论计算和过程模拟分析。结果显示,首采面开采过程中坚硬火成岩初次破断约300 m,周期破断约130 m;后续工作面开采时受邻近采空区影响,火成岩初次破断约260 m,周期破断约120 m;结果与现场实测数据分析相一致。研究成果对坚硬覆岩下煤层开采离层水、离层瓦斯突出等地质灾害预测及防治具有重要意义。     

对“基于薄板理论的采场覆岩关键层的判别方法”的商榷

就工作面宽度与关键层位置判别的关系以及基于薄板模型的关键层判别方法存在的局限性进行了研究。结果表明:一般情况下,各硬岩层的破断顺序是由各硬岩层步距准数所决定的,与工作面宽度无关,因此无论是采用梁模型还是薄板模型对关键层位置的判别结果没有影响;上覆硬岩层几何尺寸并不一定能符合薄板的定义,而且基于薄板模型的关键层判别方法需要工作面宽度才能进行计算,如果工作面宽度小于上覆硬岩层的步距准数,硬岩层将稳定不破断,就无法得到硬岩层的破断距,也就无法通过比较硬岩层破断顺序来确定关键层位置。     

450m超长综采工作面矿压显现规律研究

为掌握超长综采工作面矿压显现规律及其发生的机理,采用现场观测和理论分析的方法对哈拉沟煤矿450 m超长综采工作面矿压显现规律进行分析。结果表明:450 m超长综采工作面存在大小周期来压现象,2次小周期来压后间隔8 m出现一次大周期来压,且大周期来压期间工作面倾向压力分布呈现三峰值W型特征。亚关键层和主关键层共同作用导致工作面呈现大小周期来压特征,即主关键层破断导致亚关键层提前破断,进而造成了工作面来压步距和来压强度的大小交替变化。周期来压时基本顶分别在压力峰值区域发生破断,各破断岩块随着工作面推进沿工作面倾向发生回转下沉,导致其附近区域支架工作阻力增加。     

工作面开采煤壁超前支承应力演化规律分析与计算

基于极限平衡理论和煤体的极限承载能力,推导出了工作面煤壁超前支承应力影响范围的表达式。以此为出发点,分别对工作面开采阶段覆岩层中关键层破断前后煤壁超前支承应力演化规律进行了分析与计算。通过理论计算分析和实际工程验证结果表明,上覆岩层中关键层破断后,其工作面煤壁超前支承应力的峰值大小和影响范围较关键层破断前小。     

浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律

在多关键层的复合效应作用下,工作面回采过程围岩应力和支架顶板受力具有特殊性。以昌汉沟矿为研究对象,对浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律进行研究。通过关键层理论,确定工作面上方19 m处的细砂岩为亚关键层,工作面上方47.5 m处的粗砂岩为主关键层。采用RFPA数值模拟,对上覆岩层规律进行模拟,结果表明:亚关键层和主关键层控制工作面的上覆岩层运动,上覆岩层的破坏和移动特征总体表现为"两带"。通过对支架载荷监测得到:采场来压呈现出非均匀性周期变化,亚关键层破断引起小周期来压,主关键层破断引起大周期来压。