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。     

厚硬火成岩的关键层复合效应及致灾机理分析

以杨柳煤矿发生的2号地面钻井喷水-瓦斯事故为实例,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了2层厚硬火成岩的相互组合关系,研究了厚硬火成岩下保护层开采覆岩裂隙演化特征和地面钻井发生喷水-瓦斯事故的原因。结果发现:火成岩附近的煤体存在着大量的热解气孔,煤层吸附瓦斯能力增强,因厚硬火成岩的存在,控制了其上覆岩层的运动,弯曲带内存在裂隙与离层长期不闭合的区域,成为水和瓦斯的富集区和运移通道;当厚硬火成岩突然发生强度失稳时,瞬间释放大量弹性应变能,诱导了地面钻井喷水-瓦斯事故的发生。基于此研究结果,提出了厚硬火成岩下复合动力灾害的防治对策。     

巨厚岩浆岩下覆岩运动规律及其致灾分析

针对上覆岩层赋存高位巨厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验方法,研究了上覆巨厚岩浆岩下采动覆岩的破断运动规律,揭示了上覆巨厚岩浆岩运移诱发离层瓦斯突然涌出的成因。研究表明,覆岩破断裂隙发育到巨厚岩浆岩后,裂隙区发育形态由拱形发展成拱板形,岩浆岩破断前底部离层跨度发育至最大。巨厚坚硬岩浆岩对离层瓦斯具有圈闭作用,其破断运移会导致离层瓦斯压力急剧上升而诱发瓦斯突然涌出。采取瓦斯抽采、离层注浆、条带开采等方法,可以有效防治离层瓦斯突然涌出。     

巨厚覆岩下离层与涌水通道相似模拟研究

采用相似材料模拟方法,建立巨厚岩浆岩下煤层开采模型,研究了巨厚覆岩下离层空间和涌水通道的形成过程及发育规律。研究表明:高位巨厚覆岩底部离层空间位于弯曲带、离层空间附近岩层富水性强、充足离层发育时间是形成离层水的条件;巨厚覆岩底部离层水形成后,下方竖向未贯通裂隙在巨厚覆岩破断运移冲击作用下扩展为层间贯通裂隙,并在离层空间四周形成涌水通道,由此产生高位巨厚覆岩离层水突涌隐患。可采用充填开采、条带开采、离层注浆等方式消减离层空间,采用超前钻孔疏水切断补给水源及疏放离层水等措施。     

赵各庄矿深部大倾角综放工作面裂隙场的相似模拟研究

针对赵各庄矿3237综放工作面,深部大倾角工作面瓦斯与煤层自燃综合防治中的裂隙场演化特征相似模拟,表明:上覆岩层在采动影响下会产生大量的离层和断裂裂隙;上覆煤岩层上的应力是动态变化的。提出了瓦斯的聚集区和瓦斯的运移规律。     

火成岩侵蚀区煤层瓦斯赋存规律探讨

介绍了岩浆侵入体在煤层中的产状及侵入的一般规律,仔细分析了岩浆侵入体对煤层及瓦斯赋存的影响,重点解读了巨厚火成岩对下覆煤(岩)层裂隙发育情况,如何为卸压瓦斯抽采创造了良好的通道,为穿层孔的抽采创造了极其良好的效果,最后通过淮北矿业集团海孜煤矿的工程实例.简单介绍了向巨厚火成岩下的"弧形"离层瓦斯聚集区施工长距离穿层钻孔的抽采效果,对煤矿瓦斯治理提供了很好的理论基础.     

大采高采场顶板运移破断特征的数值模拟研究

基于大采高采场采动引起的覆岩运移破断问题,主要对大采高工作面开采过程中顶板的运移变形与破断失稳规律进行数值模拟研究,结果表明:亚关键层下部岩层属于冒落带,亚关键层上部到主关键层范围属于裂隙发育带,主关键层上部岩层属于弯曲变形带;当关键层从稳定转变为破断失稳时,其变形量陡增;工作面开采高度和关键层数量对覆岩运移变形以及稳定性的影响效果显著。     

厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律分析

矿井瓦斯是在煤的变质和煤的生成过程中伴生的一种气体,是影响矿井安全开采的主要因素。采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律进行了研究,分析了厚煤层采动覆岩变形特征、瓦斯在裂隙带中的扩散计算方程以及不同高度时和不同走向区域时瓦斯压力和流场分布规律。研究得出:切眼裂隙区的瓦斯浓度高于压实区的瓦斯浓度,在空间上瓦斯浓度呈“回型”分布;瓦斯在边界离层裂隙带进行集聚,在竖直方向上瓦斯浓度呈“马鞍型”分布。研究为钻孔合理层位的选择提供了理论支持,确保了矿井的安全生产。     

工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响

为了进一步完善煤与瓦斯共采理论,促进煤与瓦斯双能源安全高效开采,基于关建层理论,采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移"三带"范围的影响规律。结果表明:在不同工作面面宽条件下,覆岩关键层的移动、破坏形态将对瓦斯卸压运移"三带"范围起到明显的影响作用。如果随着工作面面宽的加大导致覆岩关键层完全破断,则导气裂隙带高度将突增至该关键层上方一层未发生破断的关键层之下,若关键层未完全破断,则导气裂隙带高度稳定在该关键层之下;卸压解吸带高度止于上覆岩层中尚未破断且下方存在离层裂隙的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。研究结果的可靠性得到了工程实测的验证。     

巨厚火成岩下多煤层叠加开采顶板变形破坏特征

巨厚火成岩覆盖条件下多煤层叠加开采顶板覆岩破坏较单层开采复杂的多,为了掌握其发育规律,通过顶板工程地质特征结合井中测流、钻孔电视录象实测分析,并且利用离散单元法模拟分析煤层在叠加开采过程中顶板变形破坏特征,从而对顶板覆岩在采动过程中的离层裂隙空间分布等进行研究,总结出坚硬岩层覆盖条件下的多煤层叠加开采覆岩变形破坏的规律。     

硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾机理分析

针对上覆岩层赋存硬厚岩层,采用相似材料模拟试验的方法,制作了工作面上覆硬厚岩层的相似模型,研究了硬厚岩层下覆岩结构和裂隙演化特征,分析了硬厚岩层破断致灾成因。研究结果表明,工作面推进后,上覆岩层走向断面上逐渐形成梯形结构,硬厚岩层的存在屏蔽了梯形结构的纵向发育|硬厚岩层下最大离层裂隙发育呈跳跃式上升,占据了煤层开采的大部分空间,为瓦斯积聚创造了空间|破断裂隙和离层裂隙相互贯通,在工作面侧和切眼侧的形成了双向互通的竖向破断裂隙区,为瓦斯运移提供了路径。开采煤层附近释放的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入上覆岩层最大离层裂隙,最终积聚在占据了煤层开采大部分空间的硬厚岩层下最大离层裂隙。硬厚岩层破断后瓦斯空间急剧减小,瓦斯压力快速上升,瓦斯经两侧竖向破断裂隙区涌向工作面,易诱发瓦斯突涌等灾害。     

厚硬火成岩下突出煤层动力灾害致因研究

针对海孜煤矿主采煤层顶板上部厚层坚硬火成岩造成的突水、瓦斯突出、冲击地压和地表沉陷等煤岩动力灾害,采用煤样SEM（扫描电镜）分析、组分和反射率测定等方法,研究了厚硬火成岩下突出煤层物性参数特征,采用板应力拱平衡理论研究了采动离层裂隙发育规律,采用梁结构破断弹性理论研究了厚硬火成岩对冲击地压和突水的影响,以揭示厚硬火成岩下突出煤层动力灾害的致因。研究结果表明,巨厚火成岩的热演化和圈闭作用,导致下伏各煤层孔隙发育,吸附瓦斯能力增强,各煤层突出危险性增加;厚硬火成岩为矿井主关键层,受采动影响能长期保持不断裂,其下伏煤岩层的裂隙与离层能长期不闭合,能为卸压瓦斯抽采创造条件;但随着煤层的持续和大面积开采,厚硬火成岩突然破断滑落,破断过程中释放出大量能量并向周围传播,容易引起冲击地压、矿井水灾、瓦斯突出及地表沉陷等复合型动力灾害。     

火成岩下工作面开采的冲击危险性评价与监测技术

针对淮北矿业集团海孜煤矿762综采工作面顶板岩层存在巨厚火成岩侵入的特殊覆岩结构,对工作面开采过程中可能存在的冲击矿压危险性进行了分析与评价,并利用SOS微震监测系统对工作面开采全过程中火成岩的运移、破断状态进行了监测。研究结果表明:火成岩断裂释放的能量较低,没有对工作面的安全开采构成极大威胁。     

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。     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形机理

为了掌握不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形的机理,采用矿用钻孔窥视仪对不稳定覆岩下的沿空掘巷顶板岩层进行了钻孔摄像观测,提出了"基本测量尺度-裂隙条数法"钻孔裂隙统计方法,采用该方法对沿空掘巷顶板岩层中的裂隙进行了统计分析,并研究了裂隙分布及其演化规律。研究表明:纵向裂隙和横向裂隙为不稳定覆岩下沿空掘巷顶板岩层中2种基本的裂隙形式,其中纵向裂隙多分布于巷道上部顶板岩层中,而横向裂隙多出现在靠近采空区煤壁的顶板下部岩层中;随着上区段采空区上覆岩层稳定时间的延长,纵向裂隙逐渐演化成断裂带,横向裂隙逐渐演化成离层和径向错位,2种裂隙相互交叉延展极易形成异常破碎带;不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形的根本原因是基本顶的断裂、回转和滑移,控制该类巷道围岩大变形的基本思路就是控制基本顶断裂后的关键块的回转和滑移。     

厚松散层覆岩移动机理及“类双曲线”模型

现场大量工程实践表明厚松散层移动与常规基岩移动有所差异。目前岩层移动规律的研究主要侧重在两方面:一方面是采场岩层控制主要研究煤层附近顶板基岩的破断和移动规律,另一方面是地测工程主要研究地表松散层的沉降规律。将这两者有机相联,希望能更精准反映基岩和松散层的整体变形及移动规律。基于基岩初次断裂和周期断裂力学模型,获得了主拉应力的分布规律和破断迹线,揭示了基岩的倒漏斗型破断机理;结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理。由此认为厚松散层覆岩的整体移动呈现"类双曲线"特征,并建立了岩层整体移动的"类双曲线"模型,可更好的预测地表沉陷范围。运用改进的采矿不连续变形分析程序MDDA模拟获得了厚松散层覆岩"类双曲线"型破断运移规律,一定程度上验证了理论模型的合理性。