急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

基于物理模拟的断层区煤岩体破损空间演化规律

断层区开采扰动下煤岩体破损演化复杂,基于清水营煤矿地质特征构建物理相似实验模型;集成声发射、覆岩变形监测、热红外成像等实验手段,研究了断层区域煤岩体结构在开采扰动下断层上下盘运移、破坏特征及应力应变空间演化规律。研究表明:受剪切滑移诱发断层活化的距离为20 m;过断层期间,受采动影响断层区覆岩结构呈"弧形拱"破坏,垮落高度在12~18m(平均高度15 m)、断裂带高度约75 m;断层内外声发射特征差异性显著,断层下盘覆岩受开采扰动,向采空区滑动,顶板来压剧烈,呈高应力集中载荷,声发射AE信号活跃,能率和事件数分别达到704 977.96和25 370。     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

急倾斜短壁综放采场围岩采动应力演化规律

以新疆龙泉煤矿3-3c急倾斜煤层水平分段短壁综放开采为工程背景,通过物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法,分析了多分段采场围岩变形破坏规律,量化表征了第一主应力大小、方向演化特征,揭示了采动应力传递演化机理,确定了急倾斜煤层短壁综放开采合理阶段高度。研究结果表明：急倾斜煤层短壁综放采场围岩应力传递路径呈非对称偏转特征,沿采空区上方顶板形成非对称应力包络拱,采空区倾斜中上部岩体应力释放,分段底部靠近顶板侧岩体应力集中。开采一分段至三分段过程中,顶板垮落高度与裂隙发育增幅较小,应力拱高度与采高比值相近,第一主应力集中峰值较小、应力偏转程度较低,多分段采场围岩结构稳定性较好。开采至四分段,顶板发生大面积垮落,垮落矸石冲击底板诱发滑移破坏,发生围岩大范围链式灾害,应力拱高度突增,拱高与采高比值增大。确定合理阶段高度为3个分段高度30 m左右,能有效防止围岩失稳突变诱发链式灾害,从源头消弭采场动力灾害的产生。     

伴生台阶断层近距离煤层开采覆岩运移 及应力变化规律试验研究

为研究近距离煤层下行开采同时伴有台阶断层的特殊情况,以柴里煤矿上、下工作面与台阶断层为研究对象,借助相似材料模拟试验对近距离煤层开采过程中覆岩运移及相关应力变化规律进行了研究。研究结果表明:单煤层开采中覆岩存在3种垮落结构与3种垮落形式;上下煤层开采覆岩垮落存在明显的"梯形空间"与"三角空间"的差异;下层煤开采整体呈现"随挖随垮、无明显周期来压步距、很难形成梁式结构"的特点;且当存在断层时,支承压力的传递往往受到断层的应力阻隔作用,越靠近断层顶板应力集中程度越高。     

浅埋煤层顶板隐伏断层倾角对矿压显现影响分析

针对顶板隐伏断层倾角对浅埋煤层开采矿压显现的影响作用问题,构建断裂力学模型研究隐伏断层倾角对来压步距和支架工作阻力的影响作用,通过物理模型对比分析了不同倾角隐伏断层在工作面推进过程中的活化、扩展、垮落压架过程,分析了支承压力、断层应力场、支架工作阻力等的变化特征。研究结果表明：随着工作面的推进,断层活化扩展贯通,顶板切落失稳,倾角不同造成了断层1为倾覆式切落破坏,断层2形成滑移式切落破坏,来压步距较长,滑移式破坏切顶的规模要大于倾覆式。裂纹面正应力和剪应力随工作面的推进持续增大,工作面过断层裂纹扩展应力释放后开始降低,断层2降速较缓。切顶线基本是沿断层的扩展方向形成,顶板切落动载荷使支架的荷载大幅增加,过断层1时升高了33%,过断层2时增幅达到64%。倾角的变化对切顶线的形成和上覆岩层切落时的质量有重要影响,形成了顶板的不同切落形式,造成了支架的剧烈来压。     

临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演——以朝阳煤矿3108工作面为例

复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关,尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时,受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂,严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理,利用FLAC~(3D)中的Fish语言进行2次开发,系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景,建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型,分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征,确定了断层滑移失稳的判定准则,总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系,所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时,断层面不产生滑移失稳,此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时,认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于0.05 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示,当动力计算时间为0.03 s时,断层面发生滑移,其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到0.99 m/s以上时可认为断层滑移反作用于采场周围煤岩体的影响较大,断层滑移速率随时间变化先增大后减小,一般在动力计算0.4～0.5 s时,滑移速率达到峰值,当断层滑移结束后,滑移速率会降低至某一值。在整个孤岛工作面的回采进程中,断层滑移速率首先呈现阶梯式跃增趋势,后期表现为线性增长,即断层滑移最易出现在工作面初次来压和见方阶段,易于诱发强矿震和冲击地压。     

厚煤层分层采动直覆砂岩运移规律研究

为分析厚煤层分层开采后直覆砂岩顶板岩层移动规律，以顾北矿A组煤南-1采区13121^上工作面为工程背景，采用物理相似试验和理论分析相结合的方式对顾北矿厚煤层分层开采覆岩运动进行了研究。通过构建分层开采覆岩的结构力学模型，得出覆岩荷载计算公式。研究结果表明：直接顶垮落步距为85 m;工作面前方18～20 m处实体煤处于支承压力峰值，下分层应力峰值范围为19.07～23.35 MPa、上分层应力峰值范围为17.98～20.98 MPa; 11.6 m厚细砂岩层及其下部岩层发生破坏，失去对其上覆岩层的承载能力，导致下分层的应力峰值大于上分层；上分层裂隙带高度为32 m,垮落带高度为17 m,下分层裂隙带高度为40 m,垮落带高度为23 m,下分层垮落范围比上分层发育。为顾北矿分层开采提供参考依据。     

“两硬”条件下极近距离煤层开采技术

运用弹塑性理论和滑移线场理论,推导出极近距煤层间距计算判据公式。确定了极近距下部煤层顶板的分类与工作面载荷计算方法,提出了"两硬"条件下极近距煤层工作面顶板的分类指标,分为夹石假顶、碎裂顶板和块裂顶板3类。根据矿区两硬极近距离条件下上部煤层顶板岩层垮落特点,将工作面采空区顶板垮落分为充分垮落顶板和非充分垮落顶板2类,并分别推导出其载荷强度,为确定下部煤层开采时上覆载荷提供计算方法。     

坡底煤矿煤层巷道顶煤支护优化设计研究

基于晋圣公司坡底煤矿某一典型工作面掘巷期间横穿小断层地质构造为工程背景,发现煤巷顶板为煤体时整体强度偏弱,易发生失稳下沉离层现象.通过现场调研、矿压监测分析、数值模拟分析和现场工业性试验等方法,对煤层巷道顶煤支护优化方案进行了研究.研究结果表明,顶板煤岩体强度值较小时顶板发生垮冒事故的可能性较大;采用桁架支护系统能够有...     

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。     

浅埋煤层上行开采可行性实验研究

 采用相似材料模拟实验方法,对陕北某矿浅理煤层上行开采的可行性进行了研究。研究表明：该矿浅理煤层下部煤层开采后,覆岩破坏呈现“两带”特征,产生多条贯穿上部煤层的穿层裂隙,上部煤层沉降后保持连续,未出现台阶下沉;上部煤层开采时顶板岩层主要表现为已断裂岩块或新断裂岩块的回转失稳,工作面通过穿层裂隙处未出现滑落失稳与台阶下沉现象,且顶板矿压显现不明显,证明上行开采可行。研究为开采类似赋存特征的其它煤矿提供了有益的借鉴。     

近距离煤层上行开采围岩应力演化特征分析

基于潘一东煤矿地质概况及原始地应力测试数据,采用相似模拟与数值模拟相结合的方法,分析了近距离煤层上行开采过程中两煤层采场超前支承压力变化规律和覆岩裂隙发育特征。结果表明:下保护层开采弱化了覆岩关键层的承载能力,采空区后方形成的覆岩断裂线对上覆被保护层基本顶初次垮落步距具有一定影响;下保护层采场超前支承压力峰值呈线性增长趋势,而被保护层采场超前支承压力峰值受保护层采动影响呈增大—稳定—减小的趋势,工作面推进距离达到1/2“见方”及“见方”时,悬顶岩梁会发生大面积垮落失稳,应注重采场动力灾害防治工作。     

条带开采工程岩体稳定性模拟研究

为研究条带开采工程岩体失稳特征,以峰峰集团万年矿区地层结构作为研究对象,通过室内试验得到各岩层物理力学参数,建立条带开采相似模拟试验模型,利用全站仪和应力应变传感器的测量数据得出条带开采工程岩体顶板、煤柱和底板的位移和应力的变化规律,以及其失稳和破坏特征,试验结果表明,条带开采的顶板、煤柱和底板为一整体,任何一子部分失稳都将影响条带开采工程岩体的稳定性。     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳采空区覆岩破断运动FZ14断层张剪失稳。     

采空区下近距离特厚煤层回采巷道失稳机理及其控制

采空区下近距离煤层开采时,下层煤回采巷道将受到上煤层采空区遗留煤柱、本煤层相邻工作面动压的影响,针对孙家沟煤矿特厚煤层放顶煤工作面13311回风巷严重的冒顶、两帮内挤和底臌等变形破坏现象,采用现场实测、理论分析及数值模拟等研究方法,探讨了回采巷道失稳机理及主要影响因素。研究表明,13311回风巷变形失稳主要影响因素为迎邻近工作面回采动压掘进、巷道布置方式和巷道支护参数不合理。与上层煤回采巷道垂直布置、巷道支护强度低且迎采动掘进时,下层煤回采巷道容易失稳。为改善13313回风巷围岩稳定性,有效控制巷道变形,根据试验巷道围岩物理力学性质及受力特征,研究提出了有针对性的解决方案:首先改进巷道布置方式,将下煤层回采巷道布置在采空区下,且应距离上煤层采空区遗留煤柱不小于20 m;其次增大护巷煤柱宽度,把区段护巷煤柱宽度增加到20 m以上,减少迎采动掘进动压的影响;最后,采用高预应力全锚索加强支护,提高锚杆锚固段的整体性及其承载能力。据此,在13313回风巷进行了工业性试验并进行了巷道矿压观测,结果表明:经受相邻13311工作面回采动压影响后,区段煤柱整体完整,具有良好的承载性能;锚索受力达到了250～300 kN,约为其破断力的50%,锚索受力增长平稳,较好地控制了巷道离层和围岩变形;13313回风巷顶底板移近量为400 mm左右,两帮移近量为300 mm左右,巷道围岩变形量得到了有效控制,保证了巷道的整体稳定性,取得了良好的支护效果。但是,采用该种巷道布置方式,下层13号煤层13313工作面回采时,因工作面上方11号煤层区段煤柱集中应力的影响,对其顶板和煤壁管理提出了更高的要求,需引起高度重视。     

逆冲断层和巨厚砾岩耦合作用诱冲机制研究

为研究巨厚砾岩与大型逆冲断层控制下耿村煤矿13230工作面冲击地压发生机理,对其掘进与回采期间地质特征、微震时空演化、b值及能量特征和地表沉降变化特征展开现场实测分析。研究结果表明：F16断层逆冲滑移运动产生的高水平应力和巨厚砾岩大面积悬顶产生的高垂直应力为冲击地压孕灾提供了力源条件|13230工作面掘进末期、开切眼及回采初期距离F16断层较远,断层滑移运动影响较小而巨厚砾岩运动作用影响较大,煤岩体能量增长式积聚最终诱发剧烈的冲击地压事故|随着13230工作面逐渐向断层靠近,断层滑移运动影响增强,地表抬升现象明显,煤岩体能量均匀性积聚最终诱发集中式较轻微的冲击显现。研究结果为巨厚砾岩和逆冲断层影响下13230工作面冲击地压发生机理的研究提供理论基础。