西部弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化与矿压活动规律研究

随着我国西部大开发的快速发展,近期西部大批开采弱胶结地层煤炭资源矿井陆续建成投产,弱胶结地层天然的禀赋条件决定了其物理力学性能与中东部岩层有明显的差异,开采实践表明弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律与中东部大采高工作面矿压活动规律也有一定的差异。因对弱胶结地层性能和工作面矿压活动规律认识不清,导致弱胶结地层大采高工作面开采时常发生大面积冒顶、台阶下沉、溃水溃沙、支架压死等事故。因此,弱胶结地层大采高工作面覆岩运动、三带分布、支架选型等矿压问题亟需解决。以红庆河煤矿弱胶结地层大采高工作面开采为工程背景,通过室内实验、数值模拟、相似材料模拟、理论分析及现场实测等方法,研究了弱胶结岩石物理力学性能及其与中东部岩石的差异性,统计了弱胶结煤系地层地域分布;分析了弱胶结岩石受开采扰动在采空区破碎、冒落、充填、崩解、压实、固结的变形规律;构建了弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化模型,揭示了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布特征及其与裂隙带协同演化规律;研究了围岩–支架之间的作用机制,给出了弱胶结地层大采高工作面支架工作阻力计算方法。取得主要研究成果如下:(1)弱胶结岩石具有强度低、胶结性差、遇水泥化、易崩解等特性,我国新疆、神东、蒙东、宁东、陕北等煤矿区具有弱胶结地层开采条件,基于弱胶结岩石的力学参数、物理参数、成岩年代等因素,对西部典型矿区弱胶结岩石进行了变异性评价。(2)针对弱胶结岩石与中东部岩石碎胀性、崩解性的差异,通过碎胀实验和崩解实验,研究了弱胶结岩石的初始碎胀性、残余碎胀性特征及其耐崩解特征,揭示了弱胶结岩石强碎胀、易崩解的特性。(3)针对西部弱胶结岩石物理力学性能与中东部岩石的差异性,通过实验和理论分析,研究了开采扰动作用下弱胶结岩石变形、破坏、冒落、崩解、压实、固结等特征,分析了弱胶结岩石破碎–冒落–充填–崩解–再破碎–压实–固结的变形规律,揭示了弱胶结地层冒落充填体的变形演化机制。(4)以红庆河煤矿3–1煤首采面为工程背景,通过相似材料模拟、数值模拟及理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩运动规律及应力场分布规律,获得了覆岩由下至上层层递进的冒落特征,揭示了覆岩裂隙萌生–发展–贯通的岩层破坏机制。(5)根据弱胶结地层的物理力学性能和充填体变形机制,通过相似材料模拟和理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩变形、运动规律,建立了弱胶结地层大采高工作面覆岩裂隙演化模型,研究了三类顶板结构下大采高工作面冒落带分布特征,获得了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布规律,揭示了冒落带与裂隙带协同演化机制。(6)根据弱胶结地层大采高工作面"三带"分布特征和演化规律,研究了弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律,分析了支架–围岩之间相互作用机制,给出了弱胶结地层大采高支架工作阻力计算方法,现场实测数据初步验证该方法的合理性和实用性。论文初步探索了弱胶结岩石的物理力学性能、弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化规律及三带分布规律,但受西部矿区地域辽阔及复杂地质条件的影响,下一步还需要针对一个矿区内弱胶结岩石的物理力学性能进行深入研究,并开展大量的现场矿压观测,进一步揭示西部弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律。     

薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律研究

为了研究张家湾矿薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律,本文通过对8号煤工作面支架工作阻力和受采动影响后8号煤底板压力分布情况进行观测分析,研究了房柱采空区上薄煤层综采工作面的矿压规律,分析了8号煤层顶板破坏程度及其对矿压的影响。结果表明:工作面中部与机头部矿山压力高于机尾部分,在底板弯曲下沉位置,8201综采工作面初次来压步距为43.2~63.2m,平均52.7m,周期来压步距从5.4m~24.8m,平均14.2m,工作面顶板并不是同时进入来压状态,工作面中部要早于工作面两端头,约滞后5~10m,工作面中部来压强度要高于工作面两端头,建议在回采期间加强各项关键参量的监测,重点监测支架工况、危险区底板承载力及底板出水量,提高推进速度,避免采场底板充分破坏,做好顶板管理工作,预防和及时处理采煤机、支架等设备的歪斜问题。     

超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响

从模拟试验和现场实测发现；随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小，因而采场来压均匀，便于顶煤破碎和放出，但会发生主关键层来压现象，必须采取相应措施，将其加以有效控制。     

断层赋存条件下采场矿压显现规律研究

通过相似模拟研究了2条断层赋存条件下采场的矿压显现规律,并从应力与应变速率角度解释采动与断层相互作用规律。研究结果表明:工作面未进入断层影响范围时,上覆岩层垮落形态与无断层影响时基本相同。当覆岩裂隙与断层贯通之后,工作面进入断层影响范围,老顶周期垮落步距变小,断层处底板应力达到峰值。第1条断层的影响范围为150 m,且与工作面相距70 m时断层出现较大裂隙,相距40 m时断层整体大规模滑动,上盘悬空;第2条断层的影响范围为80 m,与工作面相距30 m时,断层出现明显滑动迹象,相距10 m时,断层整体滑移失稳。相似模拟结果揭示了动压影响下断层滑移与上覆岩层运移规律,断层影响区域内煤层上方100 m以内的覆岩受到较大扰动,位移明显。工作面过第2条断层时对第1条断层有明显扰动,在现场生产实践中,应当防范多断层赋存时的耦合致灾。     

浅埋厚土层覆岩煤矿矿压规律研究

通过对某厚土层覆岩的煤矿在开采前进行数值试验,为该矿的开采工艺及设备选型提供依据,然后对首采工作面进行矿压观测,分析了工作面顶板的断裂破坏、来压强度,压力分布状态等,对研究该地区浅埋厚土层覆岩的煤矿开采提供可靠的参考依据.     

浅埋深极松软顶板采场矿压显现规律研究

分析了印度PVK矿Queen煤层开采的采场矿压显现规律。浅埋深极松软顶板难以形成“梁”或“板”结构，随着开采，将形成“压力拱”结构：当采场推进到一定距离时，拱结构失稳破坏，产生初次来压；当拱顶高度接近地表时，压力拱主结构内岩体失稳破坏，引起工作面更剧烈来压，同时，拱外次结构内岩体随之破坏，引起地表下沉：压力拱结构周期性失稳并前移，引起工作面周期来压。研究结果合理解释了项板极其松软、矿山压力显现且相当剧烈的现象，对国内类似开采条件下的矿压显现规律研究可资参考。     

采动覆岩离层的数值模拟研究

采动覆岩移动及其导致的离层分布是一个受多种因素影响的极其复杂的问题，具有极强的不可视、不可触等特点，因此，理论分析和现场观测都是十分困难的。对矿区采动覆岩的破坏过程进行了数值模拟仿真研究，重点分析了覆岩中离层的发展高度变化规律、离层区域范围的确定以及煤层采出厚度的影响作用等。数值模拟再现了采动覆岩运移及离层产生的全过程，揭示了离层高度与工作面推进距离、离层区域发生范围和煤层开采厚度之间的关系。数值模拟结果确定了覆岩离层产生的位置、离层大小等，从而为采用离层充填注浆控制地表沉陷等提供了重要的理论基础和依据。     

阳泉某棚户区场地地下采动覆岩变形规律分析

基于对阳泉某棚户区场地的勘察、治理、检测等翔实资料,深入分析了场地覆岩变形规律及其控制因素的力学效应,得到了符合场地实际的有益结论,其研究方法为同类研究提供了借鉴。     

密实充填矿压显现时空演化规律研究

建立和分析密实充填矿压显现时空演化力学模型,运用相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律,并以邢台某矿充填实践为工程实例进行分析验证。研究结果表明:顶板下沉活跃期间,充填体受力与充填步距和推进时间呈正相关;在充填开采物理模拟中,顶板测点应力普遍经历了应力升高–急剧卸压–缓慢升压再到稳定的过程,且工作面前方顶板应力峰值和煤柱受力随着充填步距的增加而增大;充填体受力随着工作面推进而不断增加至趋于稳定,稳定后的顶板应力和充填体受力均小于原岩应力;停采后静置阶段,随着时间增长,充填区顶板依然存在缓慢下沉现象。某矿充填实测结果显示距离切眼15和40 m处的充填体压力为3.5和5.5 MPa,且顶板下沉和覆岩离层在工作面推进过程中均随着充填距离的增加和充填时间的推移表现出了规律性变化。     

多层叠加煤柱覆岩结构特征及对下伏煤层矿压显现影响

大同矿区侏罗系煤层群开采过程中遗留多类大型煤柱,其对下伏石炭系煤层矿压显现具有重要影响。通过比值判别法和极限平衡理论等方法,确定侏罗系地层遗留多层叠加煤柱覆岩可形成倒梯形孤岛覆岩结构,并建立倒梯形孤岛覆岩结构的力学模型,揭示不同尺寸倒梯形孤岛覆岩结构对下伏石炭系煤层影响的定量关系。分析表明,当煤柱体宽度在30~120 m范围时,倒梯形孤岛覆岩结构使石炭系煤层应力场较原岩应力提高了91%~259%,当叠加煤柱体宽度为80 m时对石炭系煤层影响最大。现场微震监测表明,石炭系煤层8104工作面在通过侏罗系大型重叠煤柱区域时,微震事件密集分布,微震事件能量级别较高(达到10~6 J),理论分析和现场监测具有较好的一致性,研究成果可为石炭系煤层工作面通过侏罗系遗留大型叠加煤柱体时顶板管理、强矿压显现预测与控制等提供理论支持。     

浅埋房式采空区下煤层长壁工作面矿压显现特征研究

针对高头窑煤矿G3-1102工作面回采期间矿压显现剧烈的现象,揭示了浅埋房式采空区下煤层长壁工作面矿压显现特征规律,研究了浅埋煤层回采工作面液压支架压架灾害发生的机理,对高头窑煤矿安全高效生产有一定意义。     

某矿2076工作面矿压显现规律数值模拟研究

本文针对该矿2076E大采高工作面,利用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究其矿压显现规律。通过利用FLAC3D数值模拟软件,模拟了该工作面在不同条件约束下的矿压显现规律。得到了应力峰值点与回采距离之间的变化关系;采高对超前支撑压力峰值位置的影响变化情况以及顶板的初次来压步距、超前支撑压力有效范围等合理结果。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

厚硬顶板控制性放顶及矿压显现特征研究

为了保证巨厚砂岩直覆顶板综采工作面的安全高效回采,通过对综采工作面深孔预裂爆破前后矿压显现特征指标,来考察工作面巨厚砂岩直覆顶板控制性放顶的实际效果。结果表明,深孔预裂爆破控制性放顶技术能有效保证工作面巨厚砂岩直覆顶板正常垮落,降低顶板大面积突然切断来压造成危害,为工作面的顺利回采提供保证。     

辛安煤矿1402工作面矿压显现规律研究

本文主要对辛安煤矿1402综放面液压支架工作阻力进行监测,研究支架受力运行状态、顶板来压特征及支架与围岩运移的适应程度等,确定综放面顶板初次来压和周期来压参数,包括来压步距和来压强度等,从而确定液压支架初撑力、支架工作阻力的经济合理值,同时检验 ZF8000/22/35支撑掩护式液压支架的支护效果,为该工作面顶板管理和矿井安全高效生产提供技术依据     

采动过程金属矿山空区覆岩材料细观破裂特征

采空区覆岩材料的破裂与其应力变化关系密切,采用仿真试验方法,研究了在开采过程中金属矿山采空区覆岩材料在拉应力和剪应力作用下细观破裂特征。声发射是覆岩材料受外力作用发生破裂时释放的能量,其出现的位置和能量的大小间接反映了覆岩材料发生破裂的位置和严重程度。岩石材料发生破裂的主要原因是拉应力和剪应力,剪应力主要集中在采空区四周边角区域,拉应力主要集中在采空区顶板区域。剪应力和拉应力对覆岩材料的细观破裂都造成影响;最大剪应力值为11.4 MPa远比最大拉应力值7.77 MPa大,但拉应力的破坏效果更显著。剪应力是造成覆岩塑性破坏的重要因素,拉应力是覆岩垮落的主导因素。研究结果可为金属矿山安全开采提供一定参考依据。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

露天转地下采场围岩及覆岩变形破坏特征研究

以云南磷化集团有限公司晋宁磷矿为依托背景,借助数字照相量测技术,通过相似材料模拟试验,对20°、50°两种不同倾角条件下,露天转地下开采后,地下采场围岩与覆岩的变形破坏特征及动态演化过程进行了系统研究。结果表明:①地下采场围岩及覆岩的变形演化过程可划分为局部小范围微动、线性持续增大以及整体非线性剧烈垮塌3个阶段;②矿体倾角由20°增至50°后,边坡与地下采场围岩及覆岩的变形整体趋缓,采动影响范围小幅度缩减,沉降曲线则由非对称槽型变为碗型;③采场矿柱回收过程中,地下采场围岩及覆岩发生突发性失稳,呈现出明显的“多米诺骨牌效应”。     

深部煤体采动应力场演化规律及扰动特征研究

为了描述深部煤体开采过程中扰动特征,提出基于采动应力的扰动强度判别表达式。根据深部煤体开采实际条件,采用应变软化本构关系,建立深部煤体在保护层开采及蠕变条件下数值模型,得出保护层开采后煤体应力场演化规律及受扰动强度特征,并分析出在受扰动影响及蠕变条件下变形场规律,最终将现场实测应力与模拟结果进行对比,说明数值模拟的合理性。研究表明:(1)深部煤岩体强度差异大,岩体强度高,破坏时应力衰减快,而煤体强度较低,呈现弹塑性破坏。(2)采用基于采动应力的扰动因子表征煤体受扰动程度;保护层采空区下煤体卸压范围大,表现出区域性扰动特征,而未受保护层开采影响但受本煤层回采巷道影响的局部区域,扰动因子在0.7以上,呈现高强度扰动特征;采动应力扰动因子与扰动强度呈正相关,扰动因子越大,煤体受扰动程度越强。(3)深部煤体受扰动及蠕变影响,保护层采空区下煤体体积应变增加明显,而未受保护层开采扰动的煤体由于蠕变影响,其体积应变也随时间而增加。     

孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用

 孤岛工作面沿空掘巷矿压显现剧烈,支护难度大。若支护参数设计不当,巷道支护失败,必将极大影响工作面安全回采。以淮南潘三矿1251(3)孤岛工作面回风巷为工程背景,采用FLAC3D软件研究孤岛工作面沿空掘巷超前支承压力分布特征。通过建立孤岛工作面沿空掘巷基本顶的力学模型,推导出受动压影响时巷道顶板下沉量的计算公式。研究结果表明,孤岛工作面超前支承压力增加明显,孤岛工作面沿空掘巷围岩变形量剧增,其支护难度大大增加。在获得以上研究结果的基础上,分别对试验巷道掘进期间支护参数和回采期间加固参数进行设计。工程实践表明,锚网索和注浆加固联合支护可有效地控制孤岛工作面沿空掘巷围岩的变形,研究结果可在类似条件下推广应用。