大空间采场远场关键层破断形式及其对矿压显现的影响

针对大同矿区特厚煤层综放大空间采场易出现大周期强矿压现象的特点,采用理论分析与现场实测方法,研究大空间采场上覆远场关键层破断形式及其对采场矿压显现的影响机制。首次提出大空间采场覆岩远场关键层"横O-X"破断的"三角板"结构力学模型,并初步分析了"三角板"结构的动态失稳过程,指明远场关键层"三角板"结构失稳是引发采场出现大周期强矿压显现的主要原因,这一结论也得到大同矿区特厚煤层开采实践的证实。此外,远场关键层破断影响采场矿压的现象在神东矿区亦有发生,且其"横O-X"破断特征也得到了地表采动裂缝形态的验证。研究结果可为大空间采场强矿压显现的科学控制提供指导。     

采场顶板关键层"横U-Y"型周期破断特征的试验研究

针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8~15倍采高的高位关键层,"横O-X"破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100~200 m底鼓大变形等动力灾害的问题,采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台,研究高位关键层的破断运动特征。结果表明:关键层发生横向破断时,首先,关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙;其次,关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙,而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙;再次,在板正面形成"O"形裂隙的同时反面形成"X"形裂隙,正面形成"U"形裂隙的同时反面形成"Y"形裂隙;最后,正反面裂缝贯通形成"横O-X"型初次破断和"横U-Y"型周期破断,在工作面上方形成"弧形三角板"和巷道上方形成"梯形板"的破断块体结构。统计发现,"横O-X"型初次破断步距与"横U-Y"型周期破断步距长度基本一致;横向破断形成的"弧形三角板"块体角度为75°~78°,与腰线和弧形切线形成的夹角72°~82°基本相等,近似于一个等角的"弧形三角板"。砌块模型试验结果表明,"弧形三角板"块体大幅回转过程中,因其顶点易与"梯形板"结构发生回转变形失稳而出现脱离现象,导致"弧形三角板"滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究

为了掌握特厚煤层大采高综放工作面的覆岩结构及支架合理工作阻力,以同忻煤矿8107工作面为研究对象,采用理论分析、现场观测的方法对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究,建立了覆岩力学模型,得出了同忻煤矿8107工作面支架工作阻力计算式。结果表明:正常开采期间,大采高综放工作面直接顶易形成具有整体性的倒台阶组合悬臂梁结构,悬臂梁结构的破断、回转是支架—围岩互馈过程中的主要压力来源;来压期间,高位砌体梁结构与低位悬臂梁结构耦合形成“砌体梁—悬臂梁”结构,砌体梁结构的滑落失稳引起悬臂梁结构的协同回转,是大采高综放工作面强冲击来压的原因;实测8107工作面正常回采以及来压时支架工作阻力分别为26 MPa(9750 kN)和40 MPa(15000kN),与理论计算结果较为吻合;8107工作面采用的ZF15000/27.5/42型四柱低位放顶煤支架能够满足生产需求。     

大采高开采高位关键层运动致灾机理研究

大采高工作面采场强矿压灾害与上覆高位关键层的赋存状态及破断运动密切相关。研究与实践表明：特厚煤层综放开采或特大采高综采工作面顶板高位关键层横“O-X”破断、竖“O-X”破断以及悬而未断都将显著影响采场矿压,导致工作面易出现强矿压灾害或冲击地压灾害等动力现象。结合部分工程案例,阐述了大采高开采高位关键层在不同破断形式或悬而未断条件下的致灾机制,并提出了高位关键层致灾防控技术,为西部类似大采高开采条件下的工作面安全高效开采提供借鉴。     

覆岩多层坚硬顶板条件下特厚煤层综放工作面支架阻力确定

为分析覆岩多层薄采空区坚硬顶板条件下特厚煤层工作面的强矿压显现机理,合理确定工作面支架支护阻力,采用理论分析、相似模拟与现场实践相结合的研究方法,对特厚煤层开采条件下的多层顶板破断规律与工作面支架阻力确定问题进行了探讨,得出了工作面支架阻力确定原则与方法。研究表明:多层坚硬顶板的破断形式与破断次序对工作面矿压显现影响较为明显;关键层顶板的单层垮断或多层同步失稳将对应不同的工作面支架阻力;坚硬厚层顶板同步失稳条件下,单纯提高支架阻力将难以满足特厚煤层工作面合理支护要求。以大同矿区某煤矿工作面生产实际为背景,对特厚煤层工作面进行了支架合理选型同时配以坚硬顶板的水压致裂控制技术,取得了良好的顶板控制效果。     

近距离亚关键层大采高综放开采覆岩失稳机制及矿压规律

为研究郭家河煤矿覆岩破断失稳机理及矿压显现规律,综合运用关键层理论、断裂力学、相似试验及现场实测等多种方法,对老顶与亚关键层的失稳条件、破断形式、工作面来压特性进行了分析。结果表明:在当前开采条件下,老顶发生切落失稳,亚关键层发生回转变形失稳,工作面呈现"大来压"与"小来压"特性,降低采放比可有效减小矿压显现程度。     

鄂尔多斯矿区典型厚顶宽煤柱采场冲击地压机理

以门克庆煤矿3102工作面为背景,对多层厚顶板宽煤柱采场冲击地压诱发机理、冲击显现规律展开研究.研究结果表明:多层厚顶板具有近场关键层竖"O-X"、远场关键层横"O-X"破断特征及"分步异化"的周期来压规律;宽煤柱应力随3102工作面推进由非对称马鞍形逐步演化为单峰形;工作面超前区域及宽煤柱受支承压力叠加影响静载应力很...     

同忻矿8311工作面坚硬顶板破断特征与矿压显现规律研究

特厚煤层综放开采是煤炭资源开发中的一项重要课题,其开采过程中存在着一系列的难题,其中最为突出的是顶板破断引发强矿压显现。文章基于同忻矿特厚煤层8311工作面,在关键层理论基础上,采用公式计算的方法得出了坚硬顶板的初次和周期来压步距;采用离散单元软件UDEC模拟煤层开挖,得出了坚硬顶板断裂步距与结构。通过现场矿压监测,分析了坚硬顶板的来压步距、周期来压动载强度和“大小周期”现象,探究了坚硬顶板破断与矿压规律之间的关系,为特厚煤层的安全高效开采提供了有力的理论支撑。     

小纪汗煤矿11213大采高工作面矿压规律研究

为解决小纪汗煤矿11213大采高综采工作面来压剧烈,部分支架压死及支架掩护梁开裂等问题,通过分析工作面开采地质条件和现场矿压观测结果,认为关键层的垮落失稳结构特征是矿压显现剧烈的主要原因。根据关键层理论应用数值模拟研究得到11213工作面上覆岩层存在复合关键层结构,上位及下位关键层的周期性破断导致工作面来压,特别是上位关键层的破断导致工作面来压剧烈,因此提高液压支架的初撑力和稳定性能够很好的防止煤壁片帮,控制直接顶和基本顶的相对运动,从而有效地保证工作面安全有序生产。     

高强度开采覆岩运移特征与机理研究

随着我国煤炭开采重心的西移,高强度开采已在西部省区大规模开展并将持续进行。通过研究亿吨级煤炭基地分布、服务定位、开采规模、地质条件及典型高强度开采煤矿覆岩运移观测数据,论述了高强度开采覆岩的破坏变形特征及其区域环境影响,给出了高强度开采覆岩“两带”高度计算公式。基于高强度开采工作面覆岩短时间产生剧烈破坏、非连续变形明显、不产生“蠕变”等基本特征,结合相似模拟及理论力学分析,系统论述了高强度开采覆岩的运移过程,提出了三维立体空间条件下的高强度开采覆岩运移的“弹性薄板”+“平行压力拱”复合机理模型,该机理模型合理揭示了高强度开采覆岩的运移过程和机理。     

新集二矿1煤220106工作面底板灰岩地面超前区域探查治理及效果评价

淮南煤田是典型的华北型煤田,中煤新集能源股份有限公司新集二矿位于淮南煤田的南部,该矿区山西组1煤层处于“高水压薄阻水层”环境,开采过程遭受下伏高压灰岩岩溶承压水的威胁,加之本矿区独特的地理构造位置,形成了叠加大规模逆冲断层的多种垂向隐伏构造格局,因受煤系地层上覆巨厚推覆体片麻岩和寒武系高屏蔽及地表水体的影响,地面三维地震勘探效果不佳,难以查明1煤组至底板灰岩强含水层的垂向导(含)水通道,因此上述因素的叠加加剧了煤炭资源安全开采的水害威胁,提升了采煤事故发生概率。矿方结合采掘规划,严格按照相关要求,对受高压奥灰水威胁的1煤220106工作面开展了地面超前区域探查治理工程,以期采用多分支水平定向井工艺,在工作面内区域探查隐伏导水构造,并通过高压水泥注浆的方式进行封堵,达到工作面安全掘进与回采的目的。本文重点对新集二矿1煤220106工作面底板灰岩地面超前区域探查治理工程及其效果进行评价,可为该工作面的掘进与回采提供依据,为本区类似工程的开展提供参照。     

近距离煤层群二次采动覆岩结构演化与矿压规律

近距离煤层下部煤层开采受上部遗留煤柱影响较大,易出现应力集中、矿压显现剧烈等情况,严重威胁矿井的正常生产。本文采用数值模拟、理论分析及现场实测等方法,对极近距离煤层群二次开采时顶板结构特征、活动规律及矿压显现规律进行了研究。结果表明:下部煤层开采导致直接顶向更高更远处发展,并涵盖了上部煤层采后的直接顶及基本顶范围,形成了典型“垮落带累加”的采场覆岩结构;上部煤层开采对下部煤层起到了一定的卸压保护作用,下部煤层工作面超前支承压力峰值及影响范围减小;但上部顶板垮落压实及遗留煤柱也造成了下部煤层局部区域动压显现,对工作面回采产生不利影响。研究成果为提高资源采出率、保证生产安全提供了科学依据。     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。     

特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究

特厚煤层超前采动应力演化规律是顶板控制的基础,但目前缺乏现场采动过程应力演化的研究成果。依托同煤集团同忻矿8309工作面,进行了特厚煤层采动应力演化规律原位实测研究。现场试验结果表明:随着工作面推进,前方煤岩扰动强度不断增大,支承压力由原岩应力逐渐上升至峰值强度,然后随着煤岩的破坏开始下降至残余强度;侧向水平应力则呈现出阶段性稳态降低的趋势。根据支撑压力规律,工作面前方煤岩具有扰动分区化特征:该试验点工作面前方200 m以上为未扰动区域;工作面前方100~200 m为弱扰动区域;工作面前方50~100 m为强扰动区域;工作面前方50 m以内为剧烈扰动区域,结合工作面前方不同区域扰动强度提出了针对性的分区支护措施建议。研究成果可为室内开展扰动应力路径加卸载试验和特厚煤层现场安全高效开采提供指导。     

特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层及地表移动机理

以窑街矿区三矿地质条件为原型,采用相似材料模型试验方法,研究了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层移动机理和地表移动规律。结果表明,特厚急倾斜煤层水平分层开采时,浅部开采阶段岩层以应力拱结构控制岩层移动,深部开采阶段岩层以铰接岩梁结构控制岩层移动;根据覆岩破坏形式,将采动岩层移动分为松散岩块区和层状岩层区。揭示了特厚急倾斜煤层水平分层开采具有显著的重复开采和变方向传播的特征;随着工作面自上向下逐层布置回采,地表移动盆地具有向顶板侧扩展和下沉值不断累计的特点,最终形成一个整体的移动盆地。研究结果可为地表及岩层移动预测模型的建立提供依据,从而指导类似条件下煤炭资源的合理开发。     

浅埋近距离采空区下工作面矿压特征与顶板结构分析

以陕蒙神东煤田浅埋近距离煤层群开采为背景,采用实测统计、物理模拟与理论分析相结合的方法,研究了浅埋近距离煤层采空区下开采的矿压特征及影响因素,揭示了不同间隔岩层结构形态及演化条件.研究表明,随着上煤层采高增大,来压期间支架工作阻力及动载系数均呈正相关增长;下煤层采高与间隔岩层厚度之比越大,周期来压步距及支架最大工作阻力...     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践

2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变,煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果,研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理,提出了液压支架适应围岩失稳的"三耦合"动态优化设计方法;针对厚煤层超大采高综采,建立了顶板岩层断裂失稳的"悬臂梁+砌体梁"力学模型,分析了"悬臂梁"破坏失稳的空间条件与力学条件。通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素,得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及"大梯度+小台阶"配套方式,实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采;针对特厚煤层大采高放顶煤开采,研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置;针对薄煤层研发了调高范围为0.5~1.4 m的超大伸缩比液压支架,在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望,提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。