急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45~#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明:煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大;覆岩局部区域内产生了应力集中现象;工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小;工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征的实测研究

为研究深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征,采用冲击地压实时监测预警系统对新巨龙矿井1301工作面走向及侧向巷帮煤体垂直应力进行了实测。研究表明：深井特厚煤层综放工作面走向支承压力峰值位置到煤壁的距离及巷帮煤体侧向支承压力峰值位置到巷帮的距离比一般工作面大;巷帮煤体侧向支承压力峰值出现在采空区后方;回采期间巷帮煤体垂直应力的变化沿走向可分为应力稳定区、应力升高区、应力峰值区、应力降低区、二次升高区和应力蠕变区。     

不规则采场应力分布特征的面长效应

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用FLAC3D软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到"见方"期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后20~30 m的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势。工程实例验证了结论的可靠性。     

不同开采条件下煤层应力演化及分区特征

为了研究并确定不同开采条件下工作面前方煤体应力叠加重点位置,本文采用数值模拟建立力学模型,结合渝阳煤矿M7煤层实际地层进行模拟分析,获得了不同开采模式煤层及采空区的应力演化规律和分区特征。研究表明:单一区段开采时,采空区四侧煤壁均出现应力集中,采空区底板出现压实区。工作面前方煤体支承压力应力等值线呈现"W"型非均布状态,工作面中部煤体应力最大。上部一侧工作面采空时,本区段工作面开采上端头附近煤体出现显著应力叠加,工作面前方支承压力应力等值线呈现"L"型非均布状态,工作面前方上区段采空区侧煤体应力较大;当工作面上、下两侧均采空时,本区段上覆岩层来压剧烈,工作面及两侧煤壁均出现高应力,前方支承压力应力等值线呈现"U"型非均布状态,工作面上、下端头附近煤体应力叠加最为剧烈,深扩区积蓄能量大、范围广,需要严控冲击灾害的发生。     

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。     

司马矿井厚表土薄基岩开采上覆岩层矿压运动规律研究

为解决司马矿井厚表土薄基岩开采问题,采用数值模拟、现场观测的方法对薄基岩开采上覆岩层矿压运动规律进行了研究。结果表明,基岩较薄条件下,老顶来压断裂步距小,工作面前方支承压力分布范围为15m,支承压力峰值点在工作面前方5～15m范围内,比厚基岩工作面小,但工作面矿压显现明显;当粘土厚度40m、基岩厚度20m时两者可形成较为稳定的结构;可通过降低采高来保证薄基岩工作面的安全开采。结论在现场1101工作面的开采试验中得到了验证。     

中硬特厚煤层综放工作面合理参数确定研究

针对浅埋深中硬特厚煤层特点,通过数值模拟,研究不同工作面长度和采高,前方支承压力变化规律以及上覆岩层破坏高度,从而对工作面长度和采高进行优化,得出中硬特厚条件下合理工作面参数。     

特厚煤层回采工作面前方煤体破碎规律

以义煤千秋矿21121工作面为工程背景,通过相似模拟比较和现场测试的方法对特厚煤层回采工作面前方煤体破碎规律进行综合研究。结果表明:特厚煤层距离回采工作面前方同一位置,层位由低到高破碎程度依次增加;同一层位,距离工作面愈近破坏愈严重,距离增加破坏减弱;同一地质条件下,随着煤体厚度的增加,工作面前方的煤体可以形成倒三角充分破碎层、正三角不充分破碎层;特厚煤层开采下部煤体超前支承压力极值点距工作面相对较近,且支承压力极值小于上部煤体;煤体厚度增加,距离底板同一高度,超前支承压力极值逐渐减小;同时,超前支承压力对工作面前方煤体的整体破煤率减小。     

深部采煤工作面支承应力分布规律的采厚效应研究北大核心

采用理论分析、数值模拟和现场观测相结合的方法,对高家堡煤矿41103工作面深井煤层开采厚度变化过程中支承应力的分布规律进行了研究,结果表明:煤层由厚变薄条件下煤体的超前支承应力峰值位于工作面前方13 m左右,受采掘活动影响的超前距离为58 m;采厚变化区域应力变化速率加快,超前支承应力峰值增大,由38.7 MPa增加到46.2 MPa;工作面侧向支承应力峰值位于工作面前方12 m处的巷帮深部5～11 m内,应力集中系数达到2.4,需在超前支护的基础上在工作面前方12 m区域内加强支护。     

特厚煤层综放工作面采动应力演化规律研究

为了研究特厚煤层综放开采的矿压显现规律,采用数值模拟方法对工作面开采过程进行模拟。结果表明:工作面推进至见方位置,超前支承压力升高;当工作面推进距离大于500m后,工作面后方120~260m范围应力集中明显,应力最大达到25~26MPa。顶板弹性势能释放引起的冲击、岩层运动形成的垂直方向的压力及侧向的挤压力影响控制着沿空巷道的矿压显现,开采过程中应对重点区域进行防护。     

特厚煤层综放采场矿压特征的埋深效应

基于理论分析和数值模拟技术,对特厚煤层大采高综放采场矿压特征的埋深效应进行了系统的研究。研究结果表明:地应力、煤体的支承压力、顶板岩层进入塑性屈服状态的高度和范围,底煤、顶煤和顶板超前破坏距离与范围,垂直应力峰值以及应力峰值超前工作面距离等均会随着埋深增加而逐渐增大;同时,控顶区内顶煤下沉量随埋深的增大呈对数规律增大。     

不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究

针对山西宁武榆树坡煤矿不规则采空区下特厚煤层综放开采的问题，采用3DEC数值模拟软件，模拟分析了下层特厚煤层综放开采过程中受上覆不规则采空区影响下的矿压显现规律，得到了采空区与工作面不同空间位置关系下顶板岩层应力演化及位移变化特征。结果表明：上覆不规则采空区与工作面的空间位置关系对工作面矿压规律影响较为显著，工作面推进至上覆采空区影响范围内顶板岩层应力及位移变化均有显著增大，研究可指导采空区下特厚煤层开采矿压控制。     

深井厚松散层薄基岩工作面矿压显现规律数值模拟研究

针对某矿深井厚松散层薄基岩影响区域21406工作面及21203工作面的地质条件以及回采过程中出现的安全问题,采用数值模拟方法,研究了不同推进距离条件下回采工作面通过薄基岩过程中上覆岩层覆岩活动规律、顶板垂直应力分布规律及工作面液压支架受力特征。结果表明,工作面开采过渡区时,厚度越大的基岩,其支架工作阻力越小,工作面顶板下沉量也越小。     

工作面过煤柱强矿压显现机理及地面压裂控制研究

针对特厚煤层工作面受远场上覆煤柱大结构影响的强矿压显现机理及控制难题,综合采用现场实测和数值模拟的研究方法,对工作面强矿压显现特征及机理进行研究,提出并实施了地面压裂控制强矿压的技术。现场实测表明,3-5#特厚煤层开采后覆岩破断发展至上覆侏罗系煤柱位置,造成煤柱大结构破坏,数值计算表明,煤柱集中应力致使下伏相邻硬厚岩层整体性的切落失稳是造成工作面强矿压显现的主要原因。据此,提出基于地面水力压裂高位硬厚岩层的采场矿压控制技术手段。实践表明,地面压裂扩展半径大,工作面来压强度明显降低,压裂效果显著,表明地面压裂是实现强矿压控制的有效创新手段。     

深井特厚煤层工作面强烈动压区安全开采技术

为保障深井特厚煤层工作面在强烈动压区的安全开采,以新巨龙矿井2302S工作面为背景,通过现场监测、数值模拟和理论分析,研究了深井特厚煤层工作面强烈动压区的致灾机理与安全开采技术。研究结果表明：应力监测得到的强烈动压区内冲击地压危险区超前影响距离约为117 m,峰值影响距离约为48 m,压架危险区超前影响距离约为26 m,并采用数值模拟进行了验证;工作面过强烈动压区时存在煤柱冲击和采场压架两类动力灾害,诱发煤柱型冲击地压的机理主要在于工作面开采引起煤柱应力高度集中;诱发采场压架的主要机理在于支架控顶距的突变导致支架载荷异常;根据强烈动压区致灾机理提出了相应的安全开采技术,并进行了现场验证,保障了工作面的安全开采。     

深部沿空综放面巨厚表土加载型冲击地压机理研究

以赵楼煤矿7303工作面为工程背景，采用理论分析、现场实测等方法，对深部沿空综放面巨厚表土加载型冲击地压机理进行研究，总结了厚表土薄基岩综放面的覆岩空间运动结构演化规律，建立了表土加载阶段的土压力拱载荷传递机制力学模型，基于理论分析结果划分了深部沿空综放面巨厚表土加载阶段的管控区域范围与等级，深部沿空综放面巨厚表土加载型冲击地压机理为：推进至表土持力层破断步距时，巨厚表土通过土压力拱将自身载荷传递至承载基岩，随着基岩破断运动持续加载至工作面前方煤体中，导致煤壁前方大范围煤层应力持续性升高，容易诱发冲击地压。通过微震监测、地表沉陷和现场显现数据，验证了深部沿空综放面地层运动、地表沉陷与巨厚表土加载型冲击地压发生高度相关，可作为预测预报巨厚表土加载型冲击地压的参考依据。     

“三软”煤层中高压注水效果研究

该文分析煤层注水对煤体的不同作用机理;通过高压注水对工作面前方煤体应力分布影响数值模拟,得出注水压力越高,煤体塑性破坏范围越大、越快,压裂作用越明显;通过钻孔注水前后工作面前方应力变化的数值模拟,得出注水后工作面应力峰值前移且降低,缓解了煤壁压力,有利于煤壁稳定和工作面降尘,现场应用效果明显,有利于矿井安全生产。     

近直立特厚煤层冲击地压致灾过程分析

为了揭示近直立特厚煤层冲击地压发生过程,采用PASAT-M便携微震仪和ARAMIS M/E微震监测系统进行近直立特厚煤层冲击地压致灾因素识别。利用PASAT-M便携式微震仪对水平分层开采形成的"高阶段"区域应力异常进行探测,以及ARAMIS M/E微震监测系统对近直立围岩进行监测,研究了"高阶段"区域的应力分布和围岩的致灾关键层与近直立煤层冲击地压发生关系。结果表明:应力异常和"诱冲关键层"是近直立特厚煤层的冲击地压主要致灾因素,"高阶段"区域致灾因素是煤体高应力集中,"诱冲关键层"是B2-B3煤层之间的岩柱,近直立特厚煤层冲击地压致灾过程是采掘活动扰动下的煤体高应力释放过程和由"诱冲关键层"产生的"诱冲事件"引发冲击显现的过程。     

深井特厚煤层充填开采防冲机理研究

为保障深井特厚煤层工作面的安全回采,基于载荷三带理论,以山东某矿为工程背景,提出了采用充填法开采以降低工作面整体冲击风险的方案,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究了充填采空区对工作面煤体支承压力分布的影响机制,得到以下结论:1)充填体充填采空区减小了顶板自由下沉运动的空间,有效降低了顶板岩层裂隙的发育高度;2)充填体抗压变形能力决定了对煤体施加动载影响的岩层运动范围,充填体抗压变形能力越大,作用在煤体上的动载效应越不明显;3)提出了控制充实率、加强监测和确定合理推采速度等充填工作面防冲技术措施。现场实践表明,充填法开采减小了工作面煤体的应力集中程度,有效降低了发生冲击地压的风险。该研究成果为类似条件下工作面的安全开采提供指导和借鉴。     

孤岛工作面矿压显现规律数值模拟研究

以常村煤矿s6-5孤岛工作面为工程背景,采用Flac~(3D)数值模拟软件研究了常村矿s6-5孤岛工作面采场的应力分布特征。研究表明:s6-5工作面采空区内顶板经过垮落压实后应力由卸压状态逐渐回升,工作面前方煤体上下端头处应力集中明显,三角煤体破碎严重,中部煤体破碎程度相对较低。采空区顶板及上覆岩层出现明显卸压,工作面上下区段护巷煤柱上出现明显应力叠加集中,在开切眼至工作面推进煤壁的范围内护巷煤柱应力峰值较大且载荷集中。