厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征

为研究厚硬岩层下孤岛工作面开采对强矿震或冲击矿压的影响,理论分析鲍店矿103上05孤岛工作面厚硬覆岩空间结构及其破断运动对矿震活动的影响,并对孤岛面开采的冲击矿压危险性进行了动态评价。研究表明:103上05工作面在竖向剖面上为一非对称"T"型孤岛覆岩结构,其长臂侧易出现关键层大尺度破断运动,诱发强矿震与冲击矿压的危险性较高;在水平层面上亚关键层破断形成"O"型断裂结构,巨厚主关键层则以大尺度"OX"模式分层破断。各级关键层的逐级破断与运动是矿震活动的主要动力源。根据微震实测,矿震活动多集中在"T"型结构长臂侧,尤其是能量大于105J的强矿震主要出现在103上06采空区与103上05工作面巨厚主关键层中,并表现出很高的S,P波能量比。通过波速梯度异常区的动态反演,对"T"型孤岛面覆岩运动的动压危险性进行评价,效果良好。同时,分别进行煤层静载预卸压与低位顶板走向步距式超前预裂,降低了强矿震活动对煤体的冲击扰动效应。     

覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析

煤层开采打破了上覆岩层原有的平衡,必然引起岩层的移动、破断,导致应力场和裂隙场的改变,工作面出现矿压显现。上覆岩层的岩性和组合结构对工作面开采覆岩损害特征分布影响显著,一般岩性越坚硬,上覆岩层应力集中程度越高,采动裂隙越发育,矿压显现也越明显;坚硬岩层尤其是关键层对覆岩的破断运动起控制作用,覆岩破断发展到一定层位后软弱岩层往往是抑制覆岩破断进一步向上发展的关键。当工作面上覆岩层同时存在远近场关键层时,近场关键层的周期性破断引起裂隙带范围内岩层的运动和工作面周期来压;而远场关键层的周期性破断导致地表裂缝或台阶下沉,工作面压力急剧上升,有时甚至导致煤矿动压灾害,尤其是远近场关键层同步破断时动力现象更明显。通过地面钻孔使远场关键层提前破断是防止此类动力灾害的关键。     

三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构及其矿压控制

通过理论和实践研究,提出了三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构运动的矿压显现规律和相关矿压控制技术.此类采场矿压控制的理论基础是采场“C”型覆岩空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题是工作面巷道和切眼围岩矿压加剧造成的灾害形式及其控制技术和因坚硬岩层断裂引起的冲击地压的可能性预测和防治技术.通过兖州煤业股份有限公司南屯煤矿的工程实例,系统介绍了矿压灾害监测技术和控制方法.结果表明,文中提出的对岩层结构的认识和采取的监测控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用.     

坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征模拟研究

针对工作面坚硬顶板破断及其动态演化易导致强矿压显现等问题,以门克庆煤矿为背景,通过相似模拟试验,深入了解和分析坚硬覆岩煤层开采空间结构演化特征。结果表明:低位坚硬覆岩初次来压步距为60 m,周期来压步距为20～30 m,覆岩结构由短砌体梁结构逐渐演化为采空区两侧形成的F型悬臂梁结构;中高位坚硬覆岩初次来压步距为130 m,周期来压步距为50～80 m,覆岩结构由长砌体梁结构逐渐演化为与低位坚硬覆岩共同在采空区两侧形成F型悬臂梁结构;坚硬覆岩纵向位移变化区域逐渐增大,采空区中部位移增量大于两端,顶板最大下沉量为5.69 m,位于采空区中部;中高位坚硬覆岩"大周期来压"与低位坚硬覆岩"小周期来压"协同作用,导致工作面出现强矿压显现,严重影响工作面安全回采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论指导意义。     

覆岩结构对冲击矿压的影响及其微震监测

为了研究覆岩结构对冲击矿压的影响,以关键层理论为基础对某煤矿上覆岩层结构进行了划分,并利用微震监测技术对巨厚上覆岩层破断规律进行了分析,研究结果认为对上覆岩层可根据岩性、厚度不同划分成不同级别的关键层结构,这些结构初次破断形成的"O-X"型破断结构有主亚之分.大尺度的覆岩结构在破断过程中释放巨大能量形成矿震,是冲击矿压...     

采空区覆岩结构演化规律及其矿震致灾机理研究

以兖矿集团鲍店煤矿地质条件及开采现状为背景,依据关键层理论以及覆岩运动规律揭示矿震致灾机理,本文分别演示了沿煤层走向和倾斜方向上,工作面回采期间上覆岩层运动过程,分析了103上03（2）工作面矿震震源发生的原因,最后根据研究结果给出了矿震灾害防治措施。     

大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

为研究工作面回采过程中,在经历不同的采空边界条件下,工作面不同覆岩空间结构变化及对矿压显现的影响,基于理论计算、微震监测、应力在线监测等方法,对母杜柴登煤矿30202工作面回采期间所形成的不同覆岩结构类型进行分析,得到不同覆岩空间结构下强矿压显现特征及危险区分布规律。研究结果表明：30202工作面回采过程中,先后经历“一面为自身采空区,三面为实体煤”到“两面为采空区,两面为实体煤”的边界条件,其覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。工作面在“一面采空”条件下,回采过程中发生强矿压的危险性较小|工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中,其临近已采工作面采空区侧及其端头煤发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加|在“两面采空”条件下,本工作面高位岩层与相邻采空区上覆未回转下沉的高位岩梁容易产生连动,形成高位、跨度大的岩梁失稳,使得30202工作面回风巷侧在叠加应力影响下容易发生强矿压。研究结果可为工作面在不同开采条件下采场矿压特征分析、顶板控制和巷道支护设计提供一定借鉴。     

孤岛型边角煤柱工作面反弧形覆岩结构诱冲机理及其控制

为有效控制边角煤柱回收过程的冲击矿压灾害,根据三侧采空的孤岛型边角煤柱特点,采用理论分析和数值模拟方法,分析了上覆岩层结构特征及诱冲机理及其控制措施.研究得出：三侧采空的孤岛型边角煤柱工作面具有“T”形与“Γ" 形结构组成的反弧形覆岩结构,该结构使煤柱形成一环绕工作面的反弧形高应力和弹性能积聚区;回采过程中,“Γ" 形悬顶的周期性运动导致反弧形覆岩结构处于动态变化过程,动静应力综合作用对煤体稳定状态造成影响,是诱发冲击矿压的主要原因;提出了对沿空巷道实体煤侧实施卸压弱化、对窄煤柱侧实施支护强化的非对称控制对策,降低反弧形覆岩结构的影响,控制冲击危险。     

采场覆岩离层演化规律研究

采场覆岩的离层与关键层密切相关,离层一般都发生于关键层之下,并且覆岩离层一般要经历离层未发育、离层扩展和离层闭合三个阶段。离层以"梯形"的形式由下部逐渐向上发展的,并且"梯形"的大小也一直在演化。     

基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测技术及应用

基于覆岩空间结构理论的基本思想,结合力学分析,研究了“S”型覆岩空间结构的岩层组成、运动规律、应力分布特征,探索了基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测方法.基于山东华丰煤矿微地震监测的结果,证明除了受构造、煤柱等影响区域外,当“S”型覆岩空间结构在工作面推进至单工作面“见方”、双工作面“见方”、三工作面“见方”阶段,由于采场上方覆岩空间结构相互连通,其运动范围和烈度增大,更容易诱发冲击地压.结合华丰矿1410工作面的开采实际,预测了冲击地压发生的时间和地点.     

“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理

针对“C”型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采空孤岛采场动压致灾机理。结合工程实践,基于微地震定位监测结果揭示“C”型覆岩空间结构应力分布和变化特征,验证了“C”型覆岩空间结构采场采动阶段诱发动力灾害规律。     

采场上覆关键层运移的模拟实验检测

在传统矿山压力理论的基础上,用光纤Bragg光栅传感器研究采场上覆关键层运移过程中的内部应变。以某煤矿30101综采工作面为对象,实验室模拟工作面上覆岩层变形的过程,在3 m平面模型上使用4个光纤Bragg光栅传感器,制作了3 000 mm×1 340 mm×200 mm的相似材料模型,几何相似比1∶100,同时在关键层的位置布置2条全站仪测线。实验表明,光纤光栅传感器监测出了关键层的初次垮落、周期性垮落过程,关键层初次破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈尖峰状,周期性破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈高原状,有一个持续的时间。30101工作面顶板初次垮落及周期来压步距分别在48.5~51.7 m与10.4~20.8 m,实验与现场矿压观测结果基本一致。实验实现了上覆关键层所受载荷的实时监测,载荷变化符合指数余弦函数规律。     

采场上覆岩层面接触块体结构的力学机理分析

在现场观测的基础上,建立了直接顶面接触块体结构的物理力学模型,并分析了其力学实质,提出了面接触块体结构的力学定义.同时基于块体理论中确定关键块体的思想,运用矢量分析法确定了面接触块体结构中的关键接触面,对其进行了力学分析,从而深入研究了面接触块体结构的力学特性,获得了结构整体所受的挤压力和摩擦力的解析式,并且针对大阳泉煤矿8113综放工作面进行了实例计算,所得结果与现场矿压观测结果基本吻合.     

大采高厚煤层采场覆岩结构与运动分析

覆岩结构及运移特征受工作面采出空间影响较大,其对工作面围岩矿压显现程度起主要控制作用。以某煤矿2-106大采高综采工作面采高对上覆岩层结构及运动特征影响的问题为背景,采用数值计算和现场实测相结合的方法,对不同采高时的覆岩结构及其运动特征进行了研究,得到了工作面覆岩运动特征、冒落带高度及离层量受采高变化影响的规律。结果表明:随着采高增大,上覆岩层运动更加剧烈,采动影响范围增大,冒落带高度非线性上升,煤壁片帮的趋势增加,裂隙带的高度、离层最大值增加。研究结果在现场实测中得到了验证。     

采空区顶板见方垮落的覆岩空间结构特征及形成条件

见方垮落是工作面采空区顶板的一种特殊形式垮落,基于覆岩空间结构理论及薄板结构模型,对其覆岩空间结构特征及形成条件进行研究。顶板见方垮落实质为某关键层初次整体垮落,形式呈正"O-X"破断,其形成条件极为苛刻,需顶板结构及强度、区段煤柱特性、采空区边界条件、工作面宽度、工作面推进距离等因素满足对应关系。判别工作面见方垮落时,需从采区内首采工作面开始,依次计算各工作面回采后关键层的破断情况。工作面宽度越大,关键层见方垮落所需的关键层厚硬程度更高,这是多数工作面所不能满足的,而将冲击地压工作面见方区域均划定为冲击危险区往往偏于保守。     

西部煤层开采覆岩垮落及矿压显现影响因素研究

西部矿区高强度开采引起覆岩变形-移动-破断是造成顶板大面积切落、突水溃沙等地质灾害以及水土流失等环境损伤的根源。采用数值模拟、现场微震监测和理论分析相结合的方法开展西部矿区煤层覆岩垮落及矿压显现规律影响因素研究。以小纪汗煤矿为例,开展了覆岩层变形、破断、垮落、“三带”形成规律的研究,以及不同开采速度下矿压显现规律研究,揭示了不同采高和开采速度对煤岩破坏的影响规律。现场微震监测结果表明,不同的推进速度会造成工作面不同的应力调整范围和不同的应力调整完整程度。通过2者综合分析,系统揭示了西部煤层覆岩垮落特征及“三带”形成演化规律,为建立高强度开采下覆岩结构破断规律及其稳定性判据的提出提供了科学依据。     

充分采动阶段覆岩多层空间结构支承压力研究

将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震定位监测,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,建立覆岩空间结构走向支承压力模型;利用力学方法,得到走向支承压力计算公式;利用上述计算方法,研究了新汶矿业集团华丰煤矿1410工作面走向超前支承压力分布规律,并与现场微地震监测结果进行了对比分析.研究表明：上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的充分采动阶段采场走向支承压力的估算和预测.     

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。     

非充分稳定覆岩下综放沿空掘巷窄煤柱变形机理

为了掌握非充分稳定覆岩下综放沿空掘巷窄煤柱变形机理,采用矿用钻孔窥视仪对非充分稳定覆岩下综放沿空掘巷窄煤柱进行了钻孔摄像观测,提出了"基本测量尺度-破碎等级逐级评判"钻孔裂隙统计方法,研究分析了裂隙分布规律。研究表明:1)非充分稳定覆岩条件下综放沿空掘巷窄煤柱裂隙多以径向裂隙及离层形式存在,异常破碎带主要出现在煤柱两端,煤柱中部多存在间隔分布的径向裂隙,微小裂隙几乎全部存在于煤柱中部。2)按照破碎程度的不同,窄煤柱可分为3个区域,即近巷破碎区A、中部稳定区B和沿空破碎区C。B区更靠近C区,整体区域分布表现出几何上的不对称性。3)控制该类煤柱变形的基本思路是控制基本顶断裂后关键块的回转和滑移,提出了"控回转、重锚固、强限制"内外联合控制方法。