动载诱发近直立煤层水平分段开采冲击矿压的数值模拟研究

针对近直立煤层特殊的赋存条件和水平分段开采的技术条件,建立顶底板夹持梁的力学模型,对诱发冲击的动静载力源进行简要分析。基于分析结果采用FLAC3D数值模拟方法分析了动载作用下近直立特厚煤层工作面煤体应力、位移等的动态响应特征,进而揭示了冲击显现机制。结果表明:在顶底板围岩破裂产生震动效应传播而来的冲击载荷扰动下,近直立煤层工作面底煤水平应力先升高后瞬间大幅降低,垂直位移也突然增大,煤体自身平衡状态被打破,易诱发冲击显现。基于近直立煤层冲击诱发机制,提出了煤体卸压爆破和顶、底板预裂爆破等解危措施并在现场实施,解危效果显著。     

急倾斜特厚煤层工作面非对称冲击矿压机理

针对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面冲击矿压灾害,以窑街三矿为工程背景,采用离散元数值模拟(UDEC),研究了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板破断及结构演化规律,再现了矿震作用下工作面非对称冲击矿压孕育和发生过程;理论分析了工作面底煤应力非对称分布特征;基于动静载叠加原理揭示了工作面非对称冲击矿压发生机理;最后提出了防治对策。研究结果表明：急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面在顶底板非对称错峰支承压力作用下,煤体受载特征沿倾向呈现分区差异性：顶板侧挤压、中部剪切、底板侧拉-剪。工作面底煤中形成浅部汤匙状卸压区和深部非对称应力集中区,顶板侧煤体垂直应力峰值和剪切应力峰值均为底板侧的5倍。进入深部开采后,工作面悬顶长度增大,同时采空区内关键岩块发生回转、滑移和倾倒的可能性增加,导致矿震强度增大。当动载应力与工作面底煤应力集中区中的静载应力叠加大于“煤体+液压支架”系统的极限应力时,发生急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面非对称冲击矿压。研究结果与现场实测相吻合。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,...     

动静组合加载下急倾斜特厚煤层开采煤岩冲击破坏特征研究

针对急倾斜特厚煤层开采冲击地压灾害,基于动静组合加载相似模拟试验研究了急倾斜特厚煤层开采煤岩动力响应及其冲击破坏特征.结果表明:急倾斜煤层工作面顶底板两侧煤体受力状态和冲击破坏均呈现非对称性,同一分段顶板侧煤体采动应力峰值、动力损伤程度和动态变形均大于底板侧煤体,该冲击显现属于整体失稳型冲击地压类型,以顶板侧煤体动力破...     

急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析

为揭示大洪沟煤矿急倾斜特厚煤层发生动力失稳现象的原因,基于采掘布局特点对其进行理论分析和岩石力学试验,分析得出诱发急倾斜煤层深部煤岩体动力失稳的原因有:开采深度、顶底板夹持作用、顶底板破断、煤岩物理力学性质、应力集中。结果表明:底板的撬动作用是工作面煤层失稳的动力来源,该煤层具备发生动力失稳的条件,B3+6煤层工作面相向采掘导致掘进工作面与采煤工作面超前压力叠加,应力集中较为严重。应对该煤层及顶底板实施爆破卸压与注水弱化,来释放积聚在煤岩体中的弹性势能,并优化采掘布置。     

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45~#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明:煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大;覆岩局部区域内产生了应力集中现象;工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小;工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

急倾斜特厚煤层分段开采卸压瓦斯抽采技术

急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面采放比大、瓦斯涌出复杂,工作面下部卸压煤体瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出总量比例过高,在开采过程中易出现回采工作面回风隅角瓦斯超限问题。为有效解决急倾斜特厚煤层开采工作面回风隅角瓦斯超限问题,以神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿水平分段开采工作面5754502为例,理论分析了工作面底板及下部煤体的破坏规律,并对底板破坏深度和下部煤体破坏深度进行了理论计算,根据理论分析和计算结果对工作面下部煤体卸压瓦斯拦截抽采钻孔进行了布置及优化,最后统计、分析了工作面下部卸压拦截抽采钻孔抽采参数随着工作面推进的变化情况。研究结果表明:5754502工作面开采对煤层底板破坏深度为11.88 m,其下部煤体垂直破坏深度为7.38 m,最大破坏深度距工作面端部的水平距离为10.3 m;随着工作面的推进,下部煤体中的钻孔逐步进入卸压区,卸压抽采后比之前的抽采瓦斯体积分数、瓦斯流量均有显著提高,其卸压拦截抽采钻孔的抽采纯流量比卸压前平均提高了3.2倍,卸压增流效应显著;综合采取采空区埋管抽采技术和卸压拦截抽采技术,使5754502工作面在开采过程中的瓦斯抽采率达到59.6%,回风隅角瓦斯体积分数控制在0.8%以下,实现了瓦斯零超限,保障了工作面的安全生产。     

急倾斜特厚煤层围岩应力演化规律数值模拟研究

以乌东煤矿45~#煤层西翼工作面为背景,运用FLAC~(3D)软件对其围岩应力场的分布及演化规律进行数值模拟分析,得到了急倾斜特厚煤层水平分段开采采场围岩应力的分布特征。研究表明:急倾斜煤层水平分层开采之后,下部煤体在煤层走向方向形成四区;并且随着开采长度的增加,卸压区向开采层下部煤体转移;上分层开采后下部煤体产生明显卸压,其卸压形状呈现“耳”型,卸压范围靠近煤层底板侧卸压程度高于煤层顶板侧;下部煤体的采动影响范围深度随着埋深和煤厚的增加而增大,煤体的充分卸压深度范围基本保持不变。研究结果为下部煤体卸压瓦斯治理提供了理论支撑。     

急倾斜特厚煤层水平分段冲击矿压防治技术研究

为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压的致灾原因,以窑街三矿5521-21工作面为对象,针对工作面的地质条件和采掘条件,基于冲击动力来源,分析发现动静载荷叠加效应是5521-21工作面发生冲击矿压的关键。以此提出了通过煤体卸压爆破、底煤卸压爆破、煤体大直径钻孔卸压和顶板深孔预裂爆破等防治措施,通过检验取得了良好的防治效果。     

浅埋煤层坚硬直接顶破断诱发冲击地压机理及防治

针对浅埋缓倾斜煤层坚硬直接顶下回采工作面冲击地压问题,采用微震及矿压监测方法确定了坚硬直接顶超前工作面破断的位置及顶板周期来压步距,在此基础上分析了回采工作面冲击地压的能量来源和致灾机理,建立了坚硬直接顶超前工作面破断的力学模型,推导了直接顶初次破断和周期破断的步距公式并计算得到了直接顶超前工作面的破断距离。结果表明,直接顶的周期破断步距以及破断产生的矿震能量均比基本顶周期来压步距及矿震能量小,但由于直接顶距离煤层近以及直接顶超前工作面破断位置距离煤壁过小,坚硬直接顶的周期破断引起的动载增大了工作面冲击地压危险。据此确定了在巷道进行直接顶预裂爆破以增大直接顶超前工作面煤壁破断距离的冲击地压治理措施,微震监测结果显示超前预裂爆破有效降低了工作面冲击地压危险。     

近直立煤层深浅孔爆破卸压技术与效果分析

为降低近直立煤层工作面水平地应力集中程度,理论分析了近直立煤层顶底板爆破卸压原理,提出了近直立煤层深浅孔爆破卸压方案,采用钻孔成像对爆破前后卸压效果进行了对比分析,并通过现场电磁辐射、微震数据分析对卸压爆破效果进行了验证,研究结果表明：采用深浅孔爆破后,顶底板岩层中形成了立体“缓冲带”,阻碍了高水平地应力向工作面传递,降低了应力集中程度;爆破后顶底板发育新的裂隙,数量增加约46.6%,若干裂隙扩展为离层,局部出现破碎区;爆破后工作面两侧煤岩体电磁强度明显降低,爆破前后微震能量与频次呈现先升高后降低规律,起到了良好的卸压效果。     

两软薄煤层综采面矿压显现规律研究

对两软薄煤层综采工作面液压支架工作阻力进行实时监测,研究了薄煤层工作面在走向和倾向上的顶板压力分布规律,得出其来压动载强度系数为1.28,薄煤层开采来压强度较小;对回采巷道顶底板及两帮移近量进行了监测和分析,得出了薄煤层开采超前支承压力可分为三个区的特征规律。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击研究

基于FLAC2D数值模拟软件分析巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击的动态响应规律。结果表明:随着底煤厚度的增加,动力扰动下巷道底板水平应力峰值先升高后降低并逐渐向底板深处转移,底板垂直位移峰值、塑性区深度及最大能量密度均呈非线性增加,且增加趋势越来越弱,并趋于稳定;动力扰动下特厚煤层巷道极易发生底鼓冲击动力灾害,动力效应明显;现场矿震演化规律分析验证数值模拟结论的合理性。研究成果可为特厚煤层巷道底冲击矿压防治提供借鉴。     

考虑顶底板夹持作用的冲击地压孕灾机制试验研究

冲击地压的孕育和发生除应当具有足够能量源之外，能量的有效积聚同样至关重要。通过设计位移控制的夹持试验还原顶底板对煤层的约束作用，结果表明:岩石试块在轴向压力的作用下存在对于煤试块的闭锁作用，具体表现为加载端与中部监测点的位移不同步，该机制能够形成有效的能量积聚。同时，加载过程中煤试块局部位置表现出类似于纵波的变形传导现象，而较大轴压下出现的应力突然调整即为该现象的剧烈表现形式。研究指出，顶底板对于煤层的闭锁作用及煤层自身的变形传导对冲击地压的形成具有促进作用，现场实践表明，在近顶底板位置实施配合表面活性剂的高压注水，能够有效弱化接触面摩擦因数，实现煤壁深处变形能的可控释放，降低冲击危险性。     

近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题.以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景,通过对8-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析,建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型,推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数;将工作面底板视为半无限平面体,建立工作面走向不同区段静载...