岩层移动离层演化规律及其应用研究

通过试验与理论分析 ,对岩层移动过程中的离层位置与离层量、离层动态发育特征及其影响因素进行了深入研究。结果表明 :覆岩离层主要出现在各关键层下 ,覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层。当相邻两关键层复合破断时 ,尽管上部关键层的厚度与硬度比下部关键层大 ,其下部也不会出现离层。关键层初次破断后的离层区长度和最大离层量仅为关键层初次破断前的2 5 %～ 3 3 %。因此 ,离层区充填应在关键层初次破断前进行 ,并保持关键层不破断。针对目前覆岩离层区充填工艺不能阻止覆岩关键层初次破断的问题 ,提出了离层区充填与留设煤柱相结合的“覆岩离层分区隔离充填减沉法” ,发展了覆岩离层充填减沉技术     

综放开采矿震的成因及防治对策

通过综放开采的矿震灾害实例分析,研究综放开采矿震危害的成因与机制,初步提出相应的防治对策。综放工作面开采厚度大,高位厚硬岩层会成为主关键层,其运动幅度大、冲击能量高,发生矿震的可能性与危害性加大。综放开采的矿震是由上位主关键层与大结构、台阶形采空区边界覆岩的非充分沉降、区段煤柱、断层活化、煤柱应力集中与长时强度降低等因素形成的。主关键层大面积破断运动导致大结构失稳、释放重力势能,重力势能和冲击气浪的能量叠加转化为冲击动能,对采空区围岩做功发生矿震。应在合理开采部署的基础上,开展合理泄风、构筑嵌入式高强缓冲密闭或巷道“┬”形密闭、主关键层下位离层注浆减沉、采空区“O”形空间注浆充填等防治技术的试验研究。     

岩层移动与控制的关键层理论及其应用

采用模型实验、 数值模拟、 现场试验和计算机图像分析等方法, 对关键层判别方法以及关键层运动对采场矿压显现、 覆岩移动与地表沉陷及裂隙场分布的影响规律等问题进行了深入的研究。 从两层坚硬岩层破断顺序的研究入手, 揭示了关键层上载荷分布规律及其对关键层破断顺序的影响, 并由此建立了判别覆岩中关键层位置的方法。 研究了关键层破断块度对“砌体梁”结构下沉曲线形态的影响, 并提出了“砌体梁”结构下沉曲线的拟合方程。 确定了关键层对采场矿压显现产生影响的判别条件与影响规律, 揭示了关键层破断前后煤柱支承压力分布规律。 揭示了表土层与关键层间耦合关系的一些基本规律及其对改进地表下沉预计方法的指导意义。 揭示了覆岩移动过程中离层与“导水、 导气”裂隙两阶段发育规律与“O”形圈分布特征。 编制了采动裂隙量化分析的图像处理软件FIMAGE。 将关键层理论应用于我国卸压瓦斯抽放实践, 建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论, 并在淮北、 阳泉矿区卸压瓦斯抽放中得到应用。 将关键层理论应用于地表沉陷控制实践, 建立了覆岩离层注浆钻孔布置的原则, 指导城下条带开采试验, 取得了显著的经验效益。     

基于瓦斯抽放的顶板冒落规律模拟试验研究

为了给采空区瓦斯抽放高位长钻孔的设计提供依据，采用相似模拟试验与关键层理论分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律。随工作面的推进，关键层的弯曲变形经历从缓慢-剧烈-缓慢-破断的过程：亚关键层的弯曲下沉范围明显小于主关键层。关键层破断后，其下采空区两侧垫层的弹性变形得到恢复，下沉位移出现反弹。关键层的承载作用和岩层力学特性的差异使关键层间顶板的垮落角不同。覆岩关键层的破断使工作面顶板垮落角减小、周期垮落步距和来压强度都增大。依据覆岩关键层的破断形态、顶板的垮落角和周期来压（垮落）步距可以确定瓦斯抽放钻孔的终孔位置和钻场间钻孔的压茬距离，并预测钻孔的抽放瓦斯效果。     

覆岩离层变形力学模型及应用

针对采动覆岩非同步弯曲而产生离层的特征及覆岩离层注浆减缓地表沉降新技术实施的急需,根据弹性力学理论,将离层岩层假设为岩板,研究其变形特性,真实地反映了离层岩板在水应平力和自重应力作用下变形的本质,并建立了岩板挠度的力学模型,其力学模型可推广应用于离层注浆条件下的离层岩板的挠度计算,为离层注浆新技术的应用提供可靠的理论基础。     

覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究

在对岩体内部移动与地表沉陷实测资料进行对比分析的基础上,采用物理和数值模拟方法,就覆岩主关键层对地表下沉动态过程的影响进行了研究。研究结果证明,覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用,覆岩主关键层的破断将引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。在此基础上,提出将控制覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计原则的观点。     

地下大空间开挖引起覆岩离层的空间模型

地下大空间开挖以后,上覆岩层发生离层,各岩层层板之间发生相互作用,而且岩板又可以看作薄板来考虑,因此就可以采用经典弹性力学建立三维叠合板模型并研究地下大空间的上覆岩层的分布规律,计算出多层叠合板岩层的挠度及其离层量的大小.     

覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究

基于岩层运动关键层理论,研究了覆岩关键层破断规律,从力学机理上分析了覆岩关键层正"O-X"型破断时,矿山压力达到最大值,极易导致强矿震、冲击矿压的发生。利用微震监测系统,对关键层破断诱发冲击矿压进行定位分析,证明了高能量级别的矿震大多数发生在工作面推进过程中覆岩关键层处于正"O-X"型破断位置。研究表明由关键层运动破断诱发冲击矿压前后,微震事件的时空演化规律、前兆信息显著。研究结果为利用岩层运动理论与微震监测相结合的方法预测冲击矿压奠定了基础。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

关键层运动对邻近层瓦斯涌出影响的研究

煤矿覆岩中的关键层控制着上覆岩层的移动和采动裂隙的动态发展过程,进而也必将影响到邻近层瓦斯在采动破裂岩体内的动态涌出规律.利用阳泉矿区2种不同覆岩结构综放面的实测数据,对比研究关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的影响,研究结果表明：不同覆岩关键层结构条件下,邻近层瓦斯涌出的动态过程是不一致的,进一步证实了关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的控制作用.分析不同覆岩关键层结构条件下初采期邻近层瓦斯抽采技术方案的适应性,提出初采期邻近层瓦斯抽采方案的确定必须结合具体覆岩关键层结构特征,才能取得预期的抽采效果.     

岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究

提出了采场上覆岩层移动的组合岩梁模型，将岩层移动的关键层、岩层组合以及层间离层统一在组合岩梁模型的体系中，建立了关键层、岩层组合以及层间离层的统一判别准则，并进行了实例分析。对组合岩梁模型在岩层移动规律研究、地表沉陷控制以及在矿井瓦斯防治中的应用进行了深入地分析。组合岩梁模型的建立，为采场矿压和岩层移动的研究提供了一种新的思想和方法。     

基于塑性铰理论的导水裂隙带发育高度预判

为更客观和准确地对导水裂隙带发育高度进行预判提供理论支撑。以塑性铰理论为基础结合关键层对岩层移动的控制作用,从理论上阐述了导水裂隙带的形成本质是岩层竖向破断裂隙导气导水能力的形成,并通过数值模拟和工程算例对覆岩结构对导水裂隙带发育的影响进行了分析和验证。研究结果表明:覆岩结构对导水裂隙带的形成和发育有较大影响,处于垮落带范围的关键层破断后若能形成稳定的承载结构,则能有效阻止垮落带向上发展,此时应以关键层所在层位作为垮落带的发育高度;同时,由于导水裂隙带上部岩层下沉空间有限,处于导水裂隙带中上部的关键层在弯曲下沉过程中往往不会发生弯曲破断,从而形成塑性铰结构。此时,可采用塑性铰理论对其竖向贯通裂隙进行分析,确定其导气导水能力,从而对其是否为导水裂隙带的上边界进行判断,进而确定导水裂隙带的发育范围。     

地下开采上覆巨厚岩层断裂机制研究

 以巨厚岩浆岩下采矿工程为背景,运用弹性基础厚板理论研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响以及岩浆岩变形规律与破坏模式。研究结果表明：随着工作面的推进,覆岩逐渐垮落,岩浆岩下方开始出现离层;当作面推进到一定长度时,巨厚岩浆岩层的上表面的边缘中点处应力达到岩体抗拉强度而破裂;随着工作面推进长度的加大,中面长边中心点由于剪应力达到岩体的抗剪切强度而发生剪破坏,随后岩层的上表面的中点处应力达到岩体强度产生拉破裂,并向四周扩展,最后中面短边中心点由于剪切作用发生破坏。当工作面宽度加大时,开始出现破裂的工作面推进长度减小。     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

采场上覆岩层结构的形态与受力分析

本文以开采后岩层移动实测的形态曲线为基础,建立了断裂岩块间的铰合关系,进一步证明了“砌体梁”力学模型是层状矿体开采后岩层的基本结构形式。决定此结构平衡与否的关键块是离层区上方的铰接岩块。本文以此结构的力学模型为基础推得岩层内部位移曲线应以（Ｗｘ）ｉ＝（Ｗ０）ｉ（１－ｅ＾－ｘ／２ｌｉ）表示较为合适。上下层结构位移曲线的曲率变化导致了离层区的形成。     

孤岛工作面采前冲击危险性预评估研究

为研究开采扰动下孤岛工作面冲击危险性,基于覆岩空间结构理论分析了开采前后两侧采空区顶板结构动态变化和力学响应。首先基于能量力学模型,推导了工作面开采后覆岩演化高度的计算公式。根据两侧采空区顶板结构的不同,将孤岛工作面覆岩结构分为长臂对称"T"结构、短臂对称"T"结构和非对称"T"结构。进而通过理论分析了3种孤岛工作面覆岩结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面静载荷、动载荷估算模型,进而提出了工作面支承压力估算方法,并构建了孤岛工作面采前冲击危险预评估体系。采用估算模型及评估方法,对朝阳煤矿3112孤岛工作面进行了冲击危险性评估,为现场实践提供理论依据。     

广州轨道交通L8北延伸段某盾构隧道区间地表沉降实测分析

依托广州轨道交通L8北延伸段石亭和亭白区间隧道施工过程中地表沉降实测数据,通过曲线拟合等方法探究隧道施工过程地表沉降规律。利用PECK公式对典型监测断面地表沉降数据进行分析,对最大地表沉降量、沉降槽宽度等特征参数进行统计。通过对比研究不同地层条件下地表沉降规律,对地表沉降量与穿越地层及上覆地层条件的关联性进行分析。研究结果表明,隧道穿越地层条件对地表沉降影响程度显著,而上覆地层条件对地表沉降影响有限。因此,隧道施工过程中需尤其关注穿越地层条件,采取合适的掘进控制措施、监测预警方案以保证地面建筑物和道路安全。     

水平及缓倾斜煤层开采条件下离层值的计算

煤层开采诱发岩层与地表移动和变形所导致的地表沉陷对地表建筑物产生很大的影响和破坏。覆岩离层充填技术作为矿区开采沉陷控制的新方法，在我国一些矿区的应用实践证明，其控制效果和经济效益均很显著，但在减沉机理方面的研究还有待进一步深入，其中离层充填减缓地表沉陷技术在应用中的一个关键任务之一就是确定离层产生的位置及其大小，目前仍处于经验判定阶段，尚没有完善和准确的理论计算方法。根据薄板小挠度力学理论的基本思想，分析了采用薄板小挠度理论计算采动覆岩中离层产生位置及其大小的可行性及边界条件确定的合理性，探讨了水平及缓倾斜煤层开采条件下离层产生位置及离层值大小（薄板挠曲度）的理论确定方法，并给出了相应的计算公式。这些结果对于现场在应用离层充填技术减缓地表沉陷过程中确定离层产生的位置具有理论上的指导意义。