硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距的确定

采煤工作面顶板岩层主关键层及其破断距的确定对于采场矿山压力控制至关重要。以白皎煤矿采煤工作面硬软变替岩层的复合顶板为研究对象，采用相似模拟试验研究、关键层理论分析和数值模拟计算相结合途径确定复合顶板主关键层及其破断距。研究结果表明：该工作面顶板第1～3硬岩层依次破断，为顶板亚关键层；第4～6硬岩层组成的复合关键层为项板主关键层；计算得到的复合顶板主关键层的平均破断距为114m；当该工作面推进到108．2m时，主关键层的破断导致工作面出现异常矿压显现。工程实际应用情况表明，3种方法的有机结合，可以较准确地确定硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距，对采煤工作面的支护及矿山压力控制具有指导作用。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测研究

上覆岩层的断裂失稳下沉是造成工作面矿压显现的根源。采用微震监测技术对长壁工作面见方期间围岩破坏的整个过程进行监测,研究长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系,揭示大能量微震事件发生和工作面围岩异常矿压的物理力学机制。同时,统计研究采场煤壁片帮和支架工作阻力的动态变化规律。微震监测与宏观矿压观测综合对比研究表明,见方期间的开采影响范围比正常开采时大,围岩释放能量也达到极大值。研究结果证实了采空区见方期间工作面将发生异常矿压,能够为见方期间冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等矿井动力灾害防治提供针对性的指导。     

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。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

基于矿震活动规律的重复采动高位硬厚岩层冲击机制探讨

针对高位硬厚岩层条件、多煤层开采下煤层强矿震频发问题,以鲍店煤矿十采区200 m超厚高位红层砂岩为工程实例,分析重复采动高位硬厚岩层矿震活动规律及冲击机制。矿震活动规律表明:相比于上煤层而言下煤层开采引起的能量小于104 J的微震事件明显减少,但对开采活动影响较大的能量高于105 J的强矿震事件大大增加;矿震活动总体表现出较弱的规律性,但工作面两侧边界的强矿震事件明显多于中部区域,且工作面采空区侧的强矿震事件远多于实体煤侧。在分析高位硬厚岩层初次破断运动特征的基础上,结合3下煤层开采期间的微矿震活动,提出高位硬厚岩层条件下、重复采动工作面分区域冲击机制:中部由于沉降空间加大,竖向载荷突变造成断裂岩块间剪应力超限,导致原铰接平衡岩块失稳冲击的"剪切滑落型";两侧边界由于岩层移动线外扩,产生高集中应力压实下部垮落岩层导致岩块侧向滑移冲击的"滑移沉降型";2种冲击机制相互交叉、相互促进,"滑移沉降型"冲击在重复采动高位硬厚岩层诱发的动力响应中起主导作用。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

“两硬”条件下孤岛型短煤柱工作面顶板破断形态及灾害防治分析

"两硬"条件下孤岛型短煤柱工作面所采煤层应力高度集中,顶板边界条件复杂,多次采动影响容易引起顶板扰动型围岩动力破坏。为提高该类采场围岩控制效果,采用现场实测、理论分析等研究方法分析坚硬顶板破断形态、工作面矿压显现形式及引发围岩动力破坏的原因。结果表明:孤岛型短煤柱工作面坚硬基本顶发生II类"O-X"破断,仅弧形三角岩板影响工作面矿压显现强度,来压时煤体承受载荷组合形式为高静载、低动载,工作面异常矿压现象以临空侧浅部煤体局部动力破坏为主,不会发生大范围、高危害程度的冲击地压灾害;高储能系数坚硬顶板动力破断引发的冲击载荷经未破碎坚硬顶煤有效传递至下位煤层、侧向顶板结构失稳及高推进速度造成的煤体水平应力快速卸载均可能引发短煤柱工作面煤体动力破坏;基于浅部煤体动力破坏发生机制提出孤岛型短煤柱工作面"坚硬顶煤注水预裂"+"增加割煤高度降低推进速度"+"提高超前支架额定阻力和扩大超前支护范围"的综合防治措施,可有效提高坚硬顶板控制效果,减少煤体动力破坏现象的发生。     

深部采煤上覆关键层破断诱发矿震特征研究

随着煤炭开采深度的增加，强矿震频发，严重威胁着井下矿工和地面居民的安全，影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术，研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律，以及煤层开采导致上覆多关键层协同运移破断特征和诱发矿震的能量传播规律。结果表明，深部煤矿开采初期矿震大多集中在低位岩层，随着工作面的推进，矿震逐渐向高位岩层转移，高位厚硬岩层是强矿震的主要孕育、发生基地。深部煤层上覆往往孕育多层关键层，煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动。随着破断岩层总厚度逐渐变大，岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发矿震。工作面回采后，关键层断裂一般会以“O-X”形式呈现，形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大，形成的破断结构亦有主亚之分。研究结果对类似条件下深部煤矿工作面的安全、高效开采具有借鉴意义。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究

煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，极容易发生冲击地压。基于唐山矿孤岛工作面的地质条件和周期来压步距的监测结果，通过数值分析的方法，研究孤岛工作面煤岩体能量释放的动态特征，揭示工作面前方能量释放激增机制，对比普通工作面和孤岛工作面能量场的区别，介绍冲击地压预警防治措施。数值模拟结果显示，长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，此时工作面和顺槽巷道极易冲击失稳。由研究结果可知，孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增可做为判断冲击失稳的前兆信息之一。因此，微震监测等手段可以根据此结论预测潜在的矿山动力灾害。针对老顶周期性断裂时积聚能量的突然释放规律，运用强制放顶、超前卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破、煤层注水等技术可以提前释放煤层内积聚的弹性能，达到良好的冲击地压防治效果。     

深部厚硬顶板综放开采覆岩运移三维物理模拟试验研究

为分析深部厚硬顶板破断对厚煤层安全开采的影响,根据胡家河矿402102工作面工程地质和开采条件,构建了大型真三维相似物理模拟试验(3500 mm×3000 mm×2000 mm),开展了留煤柱双工作面开采的试验研究。利用光栅位移连续监测装置对采动覆岩位移进行实时监测,获得了厚硬顶板条件下厚煤层开采覆岩破断运移规律和"三带"动态演化特征。研究结果表明:厚硬关键层变形破断时,软弱岩层会发生协同运动,位移监测点位移量发生突增,监测点位移曲线随工作面推进呈"台阶式"变化。在一侧临空条件下,402102工作面亚关键层1(粉砂岩)初次破断步距为43 m,周期破断步距为21 m;亚关键层2(含砾粗砂岩)初次破断步距为74 m,周期破断步距为51 m;亚关键层3(中砂岩)初次破断步距为171 m。当亚关键层2发生周期性破断和亚关键层3发生初次破断时,采空区位移监测点位移量均发生增幅,覆岩发生大范围整体性运动,矿压显现较为剧烈;受402103采空区采动覆岩结构的影响,在402102工作面回采时,其回风巷侧覆岩运移较为剧烈,巷道受动压影响较大。根据位移监测点的位移量和覆岩变形碎胀因子max(Ki)的大小,对采动覆岩"三带"发育形态进行了初步判别,亚关键层1(粉砂岩)和亚关键层2(含砾粗砂岩)均处于冒落带中,且随着工作面推进,冒落带和裂隙带高度呈"台阶式"增大。     

大空间远近场结构失稳矿压作用与控制技术

针对大同石炭系坚硬顶板特厚煤层开采造成的强矿压显现及控制难题,通过现场实测和理论分析,揭示了大空间远、近场岩层失稳破断的强矿压显现机制,提出了坚硬顶板控制技术。研究表明:近场岩层破断失稳造成工作面复合周期来压显现,远场结构失稳是工作面强矿压的主要影响因素,临空开采、煤柱赋存条件下,高位结构破断回转、应力集中更复杂,采场矿压显现更强烈。提出井上下、远近场协同控制坚硬岩层技术体系,通过采用井下近场预裂和地面远场压裂的坚硬岩层弱化技术,减弱远、近场坚硬岩层的矿压作用,控制工作面强矿压显现,开辟了采场矿压控制的新途径。     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构演化特征及其稳定性研究

针对近距离强冲击倾向性煤层上行复采覆岩结构演化特征与稳定性问题,以宽沟煤矿B4–1强冲击倾向性煤层复采为背景,建立强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型,提出煤柱最小安全距离的分析方法。采用物理材料相似模拟与数值模拟相结合的方法,运用压力传感器与SOS微震监测系统,对覆岩结构演化、矿压显现以及震源分布特征展开分析,利用覆岩结构的稳定性分析对冲击危险性进行评估。结果表明:B4–1强冲击倾向性煤层上行复采过程中,上部覆岩呈现以关键层为分界的"双倒梯形体"结构与关键层上部岩层集中垮断后的"单倒梯形体"结构动态式演变过程;余煤尺寸较小时上部倒梯形覆岩结构震源集中、能量大,采空区活化区域震源分散、能量小。提出了余煤复采中倒梯形覆岩结构稳定性分析的冲击地压危险性指数I_m、冲击临界位置关键层受力分析的冲击地压危险性指数I_n,定量化分析冲击危险性指数变化趋势,将B4–1煤层复采划分为覆岩相对稳定区、周期性明显破坏区、冲击危险区域3部分。数值模拟分析底板应力验证了双峰值应力叠加效应的准确性。采用三种方法综合分析得到了为确保近距...     

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。     

坚硬顶板断裂过程中弹性能量积聚与释放的分布规律

冲击地压是煤矿生产中遇到的严重自然灾害之一,其能量变化规律一直是人们研究的重点。现场实践表明,大多数冲击地压发生在工作面煤壁前方超前支承压力范围内。在采矿学、材料力学和岩石力学研究的基础上,提出基于覆岩均布应力和增量应力作用的坚硬顶板初次断裂力学结构模型,首次推导得出弹性基础梁的能量分布计算公式,分析工作面前方坚硬顶板断裂前后的能量积聚和能量释放分布规律。当弹性基础的坚硬顶板悬露到极限距离后,将在煤壁前方最大弯矩处断裂,在断裂两侧发生反弹、压缩现象。离工作面距离越近,弹性梁的变形量和弯矩越大,积聚的弹性能量越多,坚硬顶板断裂后,释放的能量也越多。坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域,是产生冲击的震源区域。     

巷道底板冲击地压诱发机理及影响因素

对巷道底板冲击地压诱发机理分析表明,水平应力是诱发底板冲击地压的最主要因素,并确定底板水平应力的计算方法。在对巷道底板岩层梁结构屈曲破断力学分析的基础上,建立了底板冲击地压诱发的判定准则。巷道有效宽度和底板岩层的分层厚度对底板岩层屈曲破断所需水平应力的影响较大,计算出最大水平应力作用下底板关键层以上各岩层屈曲破断的最大分层厚度。研究结果表明,巷道底板岩层层状特征较为明显且岩层分层厚度较小的区域易诱发底板冲击地压。     

采场覆岩关键层破断规律的数值模拟

运用自行研发的岩层破断过程分析系统(SFPA2D),分析了采动影响下采场上覆岩层中关键层的破断垮落过程.数值模拟结果再现了采动影响下关键层破断垮落的全过程及关键层中应力、直接顶上支承压力的变化规律,初步揭示了工作面推进度与超前峰值支承压力之间的关系,并进一步分析了关键层的破断对工作面前方煤体中支承压力的分布和地表沉陷所产生的影响.     

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。